CN114660595B - 一种发射涡旋电磁波的频率分集圆阵雷达成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发射涡旋电磁波的频率分集圆阵雷达成像方法，该方法利用频率分集阵列（Frequency Diverse Array，FDA），利用频率调制阵列产生涡旋波，并实现雷达成像；将电磁涡旋应用在FDA雷达成像系统中，将电磁涡旋应用在FDA雷达成像系统中，利用电磁涡旋的螺旋形相位波前结构，可以获得更高的空间目标分辨率，结构简单，可获得比传统频率分集阵列雷达更丰富的成像信息。在电磁成像领域提供新的可能性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域，具体是一种发射涡旋电磁波的频率分集圆阵 雷达成像方法。
背景技术
近年来，随着天线、射频以及数字处理技术的发展，雷达系统可以显现出高 分辨率、广覆盖面、宽测绘带的图像。但是，目前的雷达成像技术都是在时域、 频域、空域，以及极化域进行的信息调制。轨道角动量是电磁波固有的物理量， 其作为独立于频率和极化的一个全新的域可以为信息调制带来更加丰富的自由 度。现有的涡旋波成像雷达采用相位调制产生带有轨道角动量的涡旋波，以获得 涡旋波成像结果，但是，对发射机和接收机的硬件要求高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种发射涡旋电磁波的频率 分集圆阵雷达成像方法，该方法利用频率分集阵列(Frequency Diverse Array， FDA)，利用频率调制阵列产生涡旋波，并实现雷达成像；将电磁涡旋应用在FDA 雷达成像系统中，由于电磁涡旋相比于普通平面波具有螺旋形的相位波前结构， 可以获得更高的空间目标分辨率，结构简单，可获得比传统频率分集阵列雷达更 丰富的成像信息。
实现本发明目的的技术方案是：
一种发射涡旋电磁波的频率分集圆阵雷达成像方法，包括如下步骤：
1)构造频率分集圆阵
将中心频率fc、测量中心频率对应的波长λ，采用公式λ＝c/fc计算，其中 c为光速；构造的频率分集阵列的每个阵元的发射频率依次线性增加，频率间隔 为Δf；天线阵列为圆阵，圆阵半径为Lr，阵元个数为N，阵元间隔角度为Δθ， 发射阵元的坐标为c/(fc+(i-1)*Δf)，i＝1,2,3…,N；
2)N个阵元均匀圆阵天线，阵元发射的信号表示为：
公式(1)中，rect(·)表示矩形信号，A表示信号幅度，t为距离向时间变量， Tr为信号持续时间，下标r表示距离向，fc表示天线的中心频率；
3)N个阵元的发射天线将N个信号s(t)发射出去，当信号遇到目标后，将 信号发射回来；
4)N个阵元的接收天线接收遇到目标反射回来的回波信号，设第n个接收 天线接收的回波信号为rn(t)：
其中表示目标距离阵元的双程距，目标的位置距离信息表示 为：
阵元的坐标位置距离信息为：
公式(3)、(4)中，(rk,φk,θk)表示第k个目标的球坐标，m表示第m个发 射阵元，表示目标的位置，/>表示阵元的坐标；
5)将每个阵元的回波信号进行累加求和r(t)
公式(5)中，K表示目标个数，m表示第m个发射阵元，接收阵元接收的 回波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元；
6)在成像算法单元中，将成像中的成像区域按距离和角度来划分网格，将 场景的长度设置为Rx，Rx范围为(Rxmin，Rxmax)，间距为角度数量设置为Nphi， 角度间距为dphi，每一个网格对应一个像素点，计算每个网格到每一个阵元的距 离，根据网格计算，则第j个网格到第n个阵元的距离为：
其中Rx(i)表示在Rx在范围为(Rxmin，Rxmax)中以间距进行划分的第i个 长度值，Nphi(k)表示在2π范围内以dphi间距进行划分时的第k个角度值；
7)根据每个网格到每个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程时 延为τnj：
8)利用步骤7)所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格 点对应的第n个阵元的复像素值Pn(j)为：
9)在每个成像网格中，对所有已经相位补偿的信号进行累加求和得到最终 成像结果为：
本发明提供的一种基于涡旋电磁波的频率分集圆阵雷达成像方法，该方法利 用频率分集和均匀圆阵形成涡旋电磁波，将电磁涡旋应用在FDA雷达成像系统 中，利用电磁涡旋的螺旋形相位波前结构，可以获得更高的空间目标分辨率，结 构简单，可获得比传统频率分集阵列雷达更丰富的成像信息。在电磁成像领域提 供新的可能性，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为频率分集圆阵阵列原理图；
图3为涡旋电磁波波束图；
图4为涡旋电磁波相位图；
图5为点目标原始场景图；
图6为实施例点目标成像结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：将图5中待测物体设定为测量模型，对点目标进行成像，如图1 所示，具体方法如下：
(1)构造频率分集阵列
将测量中心频率，记作fc＝9GHz；λ为测量中心频率对应的波长，采用公 式λ＝c/fc计算，其中c为光速；构造的频率分集阵列的每个阵列的发射频率依 次线性增加，频率间隔为Δf＝0.15GHz；天线阵列为圆阵，阵列的半径为Lr＝3λ， 阵元个数为N＝82，阵元间隔角度为Δθ＝360/N。发射阵元的坐标为 c/(fc+(i-1)*Δf)，i＝1,2,3…,N。
(2)N个阵元均匀圆阵天线，阵元发射的信号可以表示为：
式中，rect(·)表示矩形信号，A表示信号幅度，t为距离向时间变量，Tr为 信号持续时间，下标r表示距离向；fc表示天线的中心频率。
(3)利用极坐标设置三个目标位置
(4)N个阵元的发射天线将N个信号s(t)发射出去，当信号遇到目标后， 将信号发射回来。
(5)N个阵元的接收天线接收遇到目标反射回来的回波信号，设第n个接 收天线接收的回波信号为rn(t)：
其中，表示目标距离阵元的双程距。目标的位置距离信息可 以表示为，
阵元的坐标位置距离信息为，
(rk,φk,θk)表示第k个目标的球坐标，m表示第m个发射阵元，表示目标 的位置，表示阵元的坐标。
(6)将每个阵元的回波信号进行累加求和r(t)。
其中，K表示目标个数K＝3，m表示第m个发射阵元，接收阵元接收的回 波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元。
(7)将成像中的成像区域按距离和角度来划分网格，将场景的长度设置为 Rx，Rx范围为(Rxmin，Rxmax)，Rxmin＝20，Rxmax＝100，间距为角度 数量设置为Nphi＝90，角度间距为/>每一个网格对应一个像素点，计 算每个网格到每一个阵元的距离，根据网格计算，则第j个网格到第n个阵元的 距离为：
Rnj＝Rt0-Rr1
其中，Rx(i)表示在Rx在范围为(Rxmin，Rxmax)中以间距进行划分的第i 个长度值，Nphi(k)表示在2π范围内以dphi间距进行划分时，第k个角度值。
(8)根据每个网格到每个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程 时延为τnj：
(9)利用所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格点对应 的第n个阵元的复像素值Pn(j)为：
(10)在每个成像网格中，对所有已经相位补偿的信号进行累加求和得到最 终成像结果：
实验结果：
如图2是本发明基于频率分集圆阵的阵列分布图，图3是基于频率分集圆阵 所形成的涡旋电磁波信号，图4是涡旋电磁波信号的相位分布图，图5是点 目标的原始场景图，图6是本发明对点目标进行成像的结果图，可以看出本 发明可以结合涡旋电磁波与频率分集阵列对目标进行成像，得到良好的成像 结果。
Claims (1)
1.一种发射涡旋电磁波的频率分集圆阵雷达成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)构造频率分集圆阵
将中心频率fc、测量中心频率对应的波长λ，采用公式λ＝c/fc计算，其中c为光速；构造的频率分集阵列的每个阵元的发射频率依次线性增加，频率间隔为Δf；天线阵列为圆阵，圆阵半径为Lr，阵元个数为N，阵元间隔角度为Δθ，发射阵元的坐标为c/(fc+(i-1)*Δf)，i＝1,2,3…,N；
2)N个阵元均匀圆阵天线，阵元发射的信号表示为：
公式(1)中，rect(·)表示矩形信号，A表示信号幅度，t为距离向时间变量，Tr为信号持续时间，下标r表示距离向，fc表示天线的中心频率；
3)N个阵元的发射天线将N个信号s(t)发射出去，当信号遇到目标后，将信号发射回来；
4)N个阵元的接收天线接收遇到目标反射回来的回波信号，设第n个接收天线接收的回波信号为rn(t)：
其中表示目标距离阵元的双程距，目标的位置距离信息表示为：
阵元的坐标位置距离信息为：
公式(3)、(4)中，(rk,φk,θk)表示第k个目标的球坐标，m表示第m个发射阵元，表示目标的位置，/>表示阵元的坐标；
5)将每个阵元的回波信号进行累加求和r(t)
公式(5)中，K表示目标个数，m表示第m个发射阵元，接收阵元接收的回波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元；
6)在成像算法单元中，将成像中的成像区域按距离和角度来划分网格，将场景的长度设置为Rx，Rx范围为(Rxmin，Rxmax)，间距为角度数量设置为Nphi，角度间距为dphi，每一个网格对应一个像素点，计算每个网格到每一个阵元的距离，根据网格计算，则第j个网格到第n个阵元的距离为：
其中Rx(i)表示在Rx在范围为(Rxmin，Rxmax)中以间距进行划分的第i个长度值，Nphi(k)表示在2π范围内以dphi间距进行划分时的第k个角度值；
7)根据每个网格到每个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程时延为τnj：
8)利用步骤7)所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格点对应的第n个阵元的复像素值Pn(j)为：
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| WO2021062914A1 (zh) * | 2019-09-30 | 2021-04-08 | 南京慧尔视智能科技有限公司 | 一种基于mimo体制的提高雷达角度分辨率的布局及方法 |
| CN113093136A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 桂林电子科技大学 | 一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法 |
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