CN112731336B - 一种基于角向-径向二维相位调制的目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于角向‑径向二维相位调制的目标成像方法。基于角向‑径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光照射至目标，通过光探测代替微波探测；使用涡旋光波前相位的旋转特性代替传统雷达成像中的相对运动，即旋转多普勒代替线性多普勒、角位移代替线位移、角速度代替线速度；提出二维相位调制代替双光束干涉；规避传统隐身目标对微波雷达的隐身机制，避免方位向分辨率对目标与雷达相对运动的依赖，破解双波源相位精确同步的难题，实现近实时方位向和高度向成像。

Description

一种基于角向-径向二维相位调制的目标成像方法

技术领域

本发明主要涉及光学、物理学、信号检测、光学成像领域，尤其是微弱信号的检测和提取等技术方法。

背景技术

隐身是针对传感器而言的，主要分为雷达隐身、红外和射频三个方面，其中雷达隐身是一种主流手段。雷达隐身主要针对机身部分，红外隐身主要针对发动机部分。现有目标隐身技术主要是采用对目标外形、结构的优化设计及采用吸波材料来减小雷达回波能量，大大降低了目标的雷达散射截面积，再加上高机动飞行，导致方位向积分时间短，仅能获取微弱的一维时间信息，无法高精度识别隐身目标。

因此，为实现隐身目标的远程探测识别，突破其对雷达的高隐身特性，提出一种基于角向-径向二维相位调制的目标成像方法，避免方位向分辨率对目标与雷达相对运动的依赖，破解双波源相位精确同步的难题，实现近实时高分辨方位向和高度向成像，实现隐身目标的远程高效探测识别。

发明内容

本发明技术解决问题是：针对现有隐身原理仅能获取微弱一维信息而无法高精度识别目标的难点问题，提出了一种基于角向-径向二维相位调制的目标成像方法，该方法用光波代替电磁波，电磁材料隐身失效，减少散射损失，提升回波能量；用涡旋光代替平面波，改善光束传输和散射特性；破解双波源相位精确同步的难题，实现近实时高分辨方位向和高度向成像，实现隐身目标的远程高效探测识别。

本发明的技术解决方案：基于角向-径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光照射至目标，通过光探测代替微波探测；使用涡旋光波前相位的旋转特性代替传统雷达成像中的相对运动，即旋转多普勒代替线性多普勒、角位移代替线位移、角速度代替线速度；提出二维相位调制代替双光束干涉；规避传统隐身目标对微波雷达的隐身机制，避免方位向分辨率对目标与雷达相对运动的依赖，破解双波源相位精确同步的难题，实现近实时方位向和高度向成像。

具体包括以下步骤：

(1)产生多环相干叠加旋转涡旋光

利用空间光调制器产生拓扑荷数为l的叠加态涡旋光，基于角向-径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光。其中，角向-径向二维相位调制通过对叠加态涡旋光进行角向的相位调制和径向的振幅调制实现。

(2)产生旋转多普勒效应

多环相干叠加旋转涡旋光照射至目标后，多环相干叠加旋转涡旋光与目标相互作用产生带有涡旋光强度和相位信息的旋转多普勒信号，旋转多普勒频移△f为：

其中，d为偏心距，r为涡旋光半径，Ω为旋转叠加态涡旋光与目标的相对旋转速度，θ_z为光轴方位角，ξ为光轴偏转角，γ为入射角；

(3)处理目标散射回波信号

通过距离向脉冲压缩、方位平动补偿、相干和解缠处理等技术，结合深度学习算法，实现近实时高分辨方位向和高度向成像。

角向-径向二维相位调制是通过对叠加态涡旋光进行角向的相位调制和径向的振幅调制实现，其具体实现过程如下：

某光场s(x,y)的复振幅表示为：

s(x,y)＝a(x,y)exp[iφ(x,y)] (2)

其中，a(x,y)为振幅，位于[0,1]；φ(x,y)表示相位，位于[-π,π]；i表示虚数单位；角向-径向二维相位调制的目的就是要对s(x,y)进行编码，得到纯相位全息图h(x,y)为：

h(x,y)＝exp[iψ(a,φ)] (3)

其中，ψ(a,φ)为包含初始光场振幅和相位的全息图，将公式(3)做傅里叶级数展开：

其中，q为常数，h_q(x,y)表示h(x,y)的q阶傅里叶级数展开项，c_qa表示常数，若存在等式：

则原式s(x,y)的信息可由公式(4)中的一阶傅里叶级数h₁(x,y)还原，其中A为大于0的常数，实现角向-径向二维相位调制。

在上述步骤(1)中，用光波代替电磁波，电磁材料隐身失效，减少散射损失，提升回波能量；用涡旋光代替平面波，改善光束传输和散射特性。

在上述关于方位向成像原理中，用旋转多普勒效应代替线性多普勒效应，实现目标方位向成像；根据成像需求和成像质量，通过深度学习算法自适应调控涡旋光的拓扑荷数、形状、相位旋转速度等参量，实现近实时高分辨方位向成像。

在上述关于高度向成像原理中，根据成像需求和成像质量，通过深度学习算法自适应调控涡旋光的振幅、偏振等参量，破解现有多波源干涉相位精确同步的难题，实现近实时高分辨高度向成像。

本发明的原理：

(1)角向-径向二维相位调制原理

假设某光场s(x,y)的复振幅表示为：

s(x,y)＝a(x,y)exp[iφ(x,y)] (8)

其中，a(x,y)为振幅，位于[0,1]；φ(x,y)表示相位，位于[-π,π]；i表示虚数单位；角向-径向二维相位调制的目的就是要对s(x,y)进行编码，得到纯相位全息图，其表达式为：

h(x,y)＝exp[iψ(a,φ)] (9)

其中，ψ(a,φ)为包含初始光场振幅和相位的全息图，将公式(9)做傅里叶级数展开：

其中，q为常数，h_q(x,y)表示h(x,y)的q阶傅里叶级数展开项，c_qa表示常数，若存在等式：

则原式s(x,y)的信息可由公式(10)中的一阶傅里叶级数h₁(x,y)还原，其中A为大于0的常数。若公式(13)存在，则存在关系：

用欧拉公式展开后得到关系式(15)和(16)，共同作为公式(13)存在的充要条件：

公式(15)和(16)为全息图的确定提供了基准。公式(15)限制了ψ(φ,a)必须是关于φ的奇对称函数；而公式(16)由于最大值为2π，限制了A的最大值为1。

假设存在奇函数

ψ(φ,a)＝φ+f(a)sin(φ) (17)

其中，f(a)表示振幅a(x,y)的函数，根据Jacobi–Anger等式，可得：

其中，n为常数，将公式(9)和公式(17)代入公式(18)，有：

其中，J_n[f(a)]表示贝塞尔函数，若令

J₀[f(a)]＝a (20)

则公式(19)h(x,y)中的n＝0项：

h′(x,y)＝J₀[f(a)]exp(iφ)＝a exp(iφ) (21)

可以还原s(x,y)的信息，为了将不同的傅里叶分量分离，需要在公式(19)中加入载波相位(闪耀光栅)，令：

φ＝φ+2π(k_xx+k_yy) (22)

其中，d_x表示x方向加载的闪耀光栅周期，d_y表示y方向加载的闪耀光栅周期，则有：

携带原光场信息的0阶傅里叶分量就可以在衍射1阶对光场s(x,y)进行重建了，则角向相位调制产生的光场强度和相位分布如图1所示，和径向振幅调制产生的光场强度和相位分布如图2所示，即实现角向-径向二维相位调制。

本发明的主要优点：

(1)本方法利用角向-径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光，破解现有多波源干涉相位精确同步的难题，实现近实时高分辨方位向和高度向成像。

(2)本方法能够实现隐身目标的远程高效探测识别。

附图说明

图1为本方法所述角向相位调制产生的光场强度和相位分布图；

图2为本方法所述径向振幅调制产生的光场强度和相位分布图；

图3为本方法所述目标成像流程图；

图4为本方法所述拓扑荷数为20的多环相干叠加旋转涡旋光示意图；

具体实施方式

本发明以多环相干叠加旋转涡旋光为探测信息载体，目标成像流程图如图3所示，具体实施步骤如下：

(1)产生多环相干叠加旋转涡旋光

叠加态涡旋光的复振幅光场表达式：

s(x,y)＝a(x,y)exp[iφ(x,y)] (24)

其中，a(x,y)为振幅，位于[0,1]；φ(x,y)表示相位，位于[-π,π]。角向-径向二维相位调制的目的就是要对s(x,y)进行编码，得到纯相位全息图，其表达式为：

h(x,y)＝exp[iψ(a,φ)] (25)

其中，ψ(a,φ)为包含了初始光场振幅和相位的全息图相位。将公式(25)做傅里叶级数展开有：

其中，q为常数，h_q(x,y)表示h(x,y)的q阶傅里叶级数展开项，表示常数，若存在等式：

假设存在奇函数

ψ(φ,a)＝f(a)sin(φ) (30)

其中，f(a)表示振幅a(x,y)的函数，根据Jacobi–Anger等式，可得：

其中，n为常数，J_n[f(a)]表示贝塞尔函数，为了在0级实现涡旋光的复振幅调制，首先要在0级进行振幅调制，若令：

J₀[f(a)]＝a (32)

则公式(31)中的n＝0项可以还原s(x,y)中的振幅项，为了将0级同0级以外的级次分离，需要在公式(31)的基础上加上闪耀光栅，将傅里叶级数的级次同衍射级次一一对应，有：

其中，d_x表示x方向加载的闪耀光栅周期，d_y表示y方向加载的闪耀光栅周期，在衍射0级仅留下振幅项J₀[f(a)]＝a，就能完成在衍射0级的振幅调制。

同时，[0,1]中的每一个的a值，都可以在[0,x₀]中取到对应的f(a)的值，其中x₀≈2.4048，是0阶贝塞尔函数的第一个正根；通过数值反演，可以在每一个像素点得到对应的f(a)的值。

纯相位全息图ψ′(φ,a)的表达式：

ψ′(φ,a)＝mod(φ+f(a)sin(mod(φ+f_xx+f_yy,2π)),2π) (34)

其中，mod表示求余函数，将纯相位全息图ψ′(φ,a)加载到空间光相位调制器上，实现角向-径向二维相位调制，产生多环相干叠加旋转涡旋光，如图4所示。

(2)产生旋转多普勒效应

利用多环相干叠加旋转叠加态涡旋光照射至目标后，等效为同源多束相干的叠加态旋转涡旋光与目标相互作用，产生的旋转多普勒频移△f为：

其中，d为偏心距，r为涡旋光半径，Ω为旋转叠加态涡旋光与目标的相对旋转速度，θ_z为光轴方位角，ξ为光轴偏转角，γ为入射角；

(3)处理目标散射回波信号

通过距离向脉冲压缩、方位平动补偿、相干和解缠处理等技术，根据成像需求和成像质量，通过卷积神经网络算法自适应调控涡旋光的拓扑荷数、形状、相位旋转速度等参量，实现近实时高分辨方位向成像；根据成像需求和成像质量，通过卷积神经网络算法自适应调控涡旋光的振幅、偏振等参量，破解现有多波源干涉相位精确同步的难题，实现近实时高分辨高度向成像。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种基于角向-径向二维相位调制的目标成像方法，其特征在于：基于角向-径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光照射至目标，通过光探测代替微波探测；使用涡旋光波前相位的旋转特性代替传统雷达成像中的相对运动，即旋转多普勒代替线性多普勒、角位移代替线位移、角速度代替线速度；提出二维相位调制代替双光束干涉；规避传统隐身目标对微波雷达的隐身机制，避免方位向分辨率对目标与雷达相对运动的依赖，破解双波源相位精确同步的难题，实现近实时方位向和高度向成像，具体包括以下步骤：

(1)产生多环相干叠加旋转涡旋光

利用空间光相位调制器产生拓扑荷数为l的叠加态涡旋光，基于角向-径向二维相位调制产生多环相干叠加旋转涡旋光；

(2)产生旋转多普勒效应

当多环相干叠加旋转涡旋光照射至目标后，多环相干叠加旋转涡旋光与目标相互作用产生带有涡旋光强度和相位信息的旋转多普勒信号；

(3)处理目标散射回波信号

通过距离向脉冲压缩、方位平动补偿、相干和解缠处理等技术，结合深度学习算法，实现目标方位向和高度向高分辨成像;

角向-径向二维相位调制是通过对叠加态涡旋光进行角向的相位调制和径向的振幅调制实现，其具体实现过程如下：

某光场s(x,y)的复振幅表示为：

s(x,y)＝a(x,y)exp[iφ(x,y)] (1)

其中，a(x,y)为振幅，位于[0,1]；φ(x,y)表示相位，位于[-π,π]；i表示虚数单位；角向-径向二维相位调制的目的就是要对s(x,y)进行编码，得到纯相位全息图h(x,y)为：

h(x,y)＝exp[iψ(a,φ)] (2)

其中，ψ(a,φ)为包含初始光场振幅和相位的全息图，将公式(2)做傅里叶级数展开：

其中，q为常数，h_q(x,y)表示h(x,y)的q阶傅里叶级数展开项，表示常数，若存在等式：

则原式s(x,y)的信息可由公式(3)中的一阶傅里叶级数h₁(x,y)还原，其中A为大于0的常数，实现角向-径向二维相位调制，若公式(6)存在，则存在关系：

用欧拉公式展开后得到关系式(8)和(9)，共同作为公式(6)存在的充要条件：

公式(8)和(9)为全息图的确定提供了基准，公式(8)限制了ψ(φ,a)必须是关于φ的奇对称函数；而公式(9)由于最大值为2π，限制了A的最大值为1，

假设存在奇函数

ψ(φ,a)＝φ+f(a)sin(φ) (10)

其中，f(a)表示振幅a(x,y)的函数，根据Jacobi–Anger等式，可得：

其中，n为常数，将公式(2)和公式(10)代入公式(11)，有：

其中，J_n[f(a)]表示贝塞尔函数，若令

J₀[f(a)]＝a (13)

则公式(12)h(x,y)中的n＝0项：

h′(x,y)＝J₀[f(a)]exp(iφ)＝aexp(iφ) (14)

可以还原s(x,y)的信息，为了将不同的傅里叶分量分离，需要在公式(12)中加入闪耀光栅，令：

φ＝φ+2π(k_xx+k_yy) (15)

其中，d_x表示x方向加载的闪耀光栅周期，d_y表示y方向加载的闪耀光栅周期，则有：