一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统与流程

本发明涉及雷达探测技术领域，特别涉及一种旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达系统。

背景技术：

随着隐身技术的发展，传统雷达探测体制受到越来越严重的挑战，反隐身技术成为雷达探测中持久的研究热点。目前隐身目标可以将来波方向的雷达散射截面积(rcs)降到10^-3m²以下。为了能够反隐身，雷达普遍采用信号处理方法或提高器件水平，进一步提高探测灵敏度，比如：增大天线功率孔径积、扩展雷达工作波段、改变雷达极化特性等。但受限于信号体制和制造工艺，提高的程度有限。

一般雷达目标可以分为点目标和扩展目标，其中点目标是指目标的尺寸在一个分辨单元以内。并且点目标可进一步划分为简单目标和复杂目标。简单目标指的是雷达只有一个散射区域，而复杂目标则具有多个散射区域。一般情况下，雷达探测的点目标为复杂目标。由于复杂目标由多个散射区域的回波叠加在一个分辨单元内，构成信号之间的相干性使得rcs随着来波相位面、电磁波频率等因素产生起伏。

近年来，电磁波轨道角动量(oam)作为电磁波新的维度，成为电磁波利用的新手段。oam电磁波传输领域的研究为雷达探测领域的应用奠定了基础。2007年，thidé,b等人通过天线阵列的数值仿真验证了低频电磁波(频率低于1ghz)同样可以产生轨道角动量。2010年，mohammadism讨论了如何利用圆形天线阵列产生和检测不同的oam电磁波。详细地分析了天线阵列半径、振子个数、频率等对oam电磁波辐射图的影响。2015年，国防科大的刘康等提出了采用圆环天线阵来产生oam波，并在oam域采用fft来对目标进行探测成像。同年，niemiec研究了2.45ghz的oam波在球面和圆柱上的反射。2016年国防科大的刘明团等采用music算法来提升oam雷达的角分辨率。最近研究发现，oam的螺旋状波前形成特有的相位梯度，对复杂目标照射时，不同oam模式数的同频电磁波具有不同rcs的发射信号，该物理特性为分集接收创造了条件。

分集接收一般分为合并分集(最大比合并和等增益合并)和选择分集。无论哪种分集方式，均需要系统产生较多的分集支路。另一方面，考虑目标尺寸上产生显著相位梯度变化，也需要能够产生高阶oam的信号。目前的oam电磁波产生方式主要包括：螺旋相位板法、螺旋反射面法、天线阵法以及衍射光栅法等。这几种方法在产生大规模oam模式数上面具有相应的局限性。其中的螺旋相位板法、螺旋反射面法以及光栅法受限于器材的加工精度以及尺寸，无法产生大规模oam模式数。而天线阵法需要两倍于oam模式数的天线数量，为避免天线之间的耦合性，阵子之间需要保有最小的间距，这样天线的口径就会非常大。因此，目前的方法均不能产生所需的高阶模式的oam信号。

技术实现要素：

针对雷达对隐身目标等弱小目标探测问题，本发明的目的是提出一种基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统，即通过旋转天线在不同时刻发射脉冲，并对这些脉冲进行相干积累，在接收端等效获得高阶oam回波探测效果，再利用分集接收(选择分集或合并分集)，进一步获得高检测前信噪比，从而提高对隐身飞机等弱散射目标的探测能力。

本发明的技术方案如下:

一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)雷达系统的旋转天线是由均匀分布的m个天线阵子构成的环形天线阵，其中m≥1；旋转周期定义为天线阵以原点为中心做匀速逆时针或顺时针旋转弧度，旋转角速度为ω，则旋转周期为

2)旋转装置带动旋转天线进行旋转，在旋转过程中m个天线阵子同时发射脉冲信号，在一个周期内发射n个脉冲，即每一个脉冲是由这m路信号叠加而成；每个天线阵子发射的信号具有以为增量线性增加的相位梯度，其中l为需要电磁波轨道角动量的模式数；

3)旋转过程中，每根天线在各个发射点发射的信号相对初始信号也具有线性相移，在时，其中k＝1,2,…,n，第i个天线阵子发射信号的相位为m个天线阵子在一个旋转周期的时间内，发射的所有m×n个信号构成了以为间隔、且相位梯度从0到的信号序列；

4)在相邻发射脉冲的时间间隔内，旋转天线接收回波信号，以tr为脉冲重复周期，并在信号处理器中对m×n个信号序列进行合成；信号合成的过程为：在接收端第一个脉冲的回波时延为(n-1)tr,第二个为(n-2)tr，…，第i个为(n-i)tr,…，第n个无时延，最后再进行相参积累，从而形成一个等效的电磁波轨道角动量信号；

5)将电磁波轨道角动量波形集合为lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，发射的电磁波轨道角动量子集为允许发射的电磁波轨道角动量信号路数为k路，其中lmax为最大电磁波轨道角动量模式数，表示初始时刻第k路所发射的电磁波轨道角动量模式数，且有

6)在认知处理器衡量每一路电磁波轨道角动量信号的信噪比，第i路的信噪比为βi,所有k路中最大的信噪比为βmax,第i路信号有的概率改变下一次发射的电磁波轨道角动量模式数，即为下一次发射的波形，从而保持对目标探测的最优状态。

上述技术方案中，所述m根天线在一个旋转周期内发射的所有m×n个信号之间构成的相位梯度有两种方法，第一种是给天线配置移相器；第二种是不配置移相器，利用旋转产生的时延来产生所需的相位梯度，此种情况下产生的电磁波轨道角动量的模式数l＝mm，旋转的角速度为ω需满足ω为电磁波角频率。

本发明提供的一种实现上述方法的一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测系统，其特征在于：所述雷达探测系统包括：

1)信号发射子系统，该信号发射子系统包括用于产生线性调频脉冲信号的信号产生器,以及将该信号经过功率放大后通过天线发射出去的发射机；

2)天线子系统,该天线子系统包括用于切换天线的发射状态和接收状态的双工器、旋转天线、对入射的电磁波进行准直的聚束装置以及用于实现天线旋转的旋转装置；

3)信号接收子系统，该信号接收子系统包括接收机、信号处理器、数据处理器和认知处理器；其中信号处理器用于对脉冲的相干积累处理得到合成后的脉冲信号；数据处理器用于对合成信号进行检测；

所述信号发射子系统中的信号产生器将脉冲信号传入给发射机，发射机将脉冲信号馈入天线子系统，旋转装置带动旋转天线进行匀速圆周运动，在这一旋转模式下发出脉冲信号，双工器在接受状态下，天线子系统接收回波信号，接收的回波信号经过信号接收子系统中的接收机采样、下变频进入信号处理器进行回波积累，然后将回波积累后的信号分别送入数据处理器和认知处理器；数据处理器对回波积累后的信号进行检测；认知处理器则根据当前波形的信噪比采用最优信噪比原则调节信号产生器以及旋转装置，从而产生下一步待发射的最优雷达脉冲信号。

优选地，本发明所述的旋转天线阵子采用喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线或阵列天线。

上述技术方案中，所述的旋转天线采用机械旋转天线或电扫旋转天线，该电扫旋转天线由相控阵天线和环形反射面组成，相控阵天线位于环形反射面的焦平面，相控阵天线发出的波束或波束簇均匀改变扫描方位角，经过反射面反射后形成出射的波束或波束簇，这些出射波束围绕环形反射面中心作匀速圆周运动。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：通过采用基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量雷达探测方法，可以在雷达接收端产生等效的高阶模式数轨道角动量电磁波信号，而传统方法产生的模式数都较小并且受限于天线工艺。高阶模式数轨道角动量电磁波在目标处可以产生显著的相位梯度，不同模式数的轨道角动量电磁波可以实现对目标探测的波形分集。利用该分集增益，能够获得较高的检测前信噪比，从而对弱小目标的探测能力大幅提升。本发明的旋转天线部分也可以用电扫旋转天线代替，取得同样效果。其特征在于相控阵天线的波束中心位于环形反射面的焦平面，相控阵天线发出的波束或波束簇均匀改变扫描方位角，经过反射面反射后形成出射的波束或波束簇。这些出射波束围绕环形反射面中心作匀速圆周运动，与本发明中机械旋转的方式产生旋转波束的方法等效。

附图说明

图1为基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达系统的结构示意图。

图2为旋转天线等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达的信号处理流程图。

图3为旋转天线示意图。

图4为信号处理器中的脉冲积累示意图。

图5为认知处理器信号处理流程图。

图6显示了本发明的一个具体实施例当中的仿真场景。

图7显示了本发明的一个具体实施例当中的仿真结果。

图8显示了电扫旋转天线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的系统结构、原理和方法做进一步的说明，以更好的解释和理解本发明的技术方案。其中自始至终的相同或类似的标号表示相同或类似的元件，或者是具有相同或类似功能的元件。

图1为基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达系统的结构示意图，所述系统包括信号发射子系统100、天线子系统200和信号接收子系统300；其中该信号发射子系统包括信号产生器101和发射机102，信号产生器用于产生线性调频脉冲信号；发射机是将基带脉冲信号上变频到所需频点的射频信号，该信号经过功率放大后发送至天线发射出去。

天线子系统200对回波信号进行存储、积累与检测，并利用不同oam电磁波rcs的差异性，采用分集技术提高目标的检测前信噪比，其具体包括双工器201、旋转天线202、聚束装置203以及旋转装置204；旋转天线用于发射信号完成将传输线中的导行波转换成自由空间中的电磁波，其形式可以是各种各样的类型，如：喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线等；聚束装置203用于对入射的电磁波进行准直，减小其波束发散角；旋转装置204用来实现对天线的旋转，可以采用电机或者其他类型任意机械旋转方式。

所述信号接收子系统300包括接收机301、信号处理器302、数据处理器303和认知处理器304；其中接收机301用来将接收到的信号进行低噪声放大，并在中频进行匹配滤波，以及对信号进行数字iq采样；信号处理器302是先对信号进行fft、脉冲压缩来提高信号的信噪比，再通过对脉冲的相干积累处理得到合成后脉冲信号；数据处理器303主要负责对合成信号进行检测，在本实施例中对各路oam信号进行合并操作，可选的合并方法包括选择式合并、等增益合并以及最大比合并；认知处理器是对目标进行认知处理，根据认知结果将最优的雷达信号反馈给信号产生器以及旋转装置。

其工作过程如下：所述信号发射子系统100中的信号产生器101将脉冲信号传入给发射机102，发射机将脉冲信号馈入天线子系统200，旋转装置204带动旋转天线202进行匀速圆周运动，在这一旋转模式下发出脉冲信号，双工器201在接受状态下，天线子系统200接收回波信号，接收的回波信号经过信号接收子系统300中的接收机301采样、下变频进入信号处理器302进行回波积累，然后将回波积累后的信号分别送入数据处理器303和认知处理器304；数据处理器303对回波积累后的信号进行检测；认知处理器304则根据当前波形的信噪比采用最优信噪比原则调节信号产生器101以及旋转装置204，从而产生下一步待发射的最优雷达脉冲信号。

本发明的原理描述如下：理论上来说采用天线阵方法可以产任意阶数的oam电磁波，但是这需要至少两倍于oam模式数的天线阵子数，因此难以在物理上实现。本发明采用了旋转天线设计，在电机或者其它旋转装置的带动下，单个天线阵子围绕原点做匀速圆周运动，在旋转的同时，阵子以均匀的时间间隔向外发射雷达脉冲(比如线性调频脉冲)，并在脉冲发射间隔接收回波信号。首先将回波信号存储起来不作处理，当阵子旋转完一周以后再将这个周期内接收到的回波信号进行相干积累，从而形成一个合成信号。由于该合成信号在雷达照射方向上具有和oam信号相同的相位结构，所以被称为等效的oam脉冲信号。经过理论计算以及数值仿真，采用旋转天线在雷达照射方向上和天线阵方法等效，也可以产生任意阶数oam电磁波，并且仅仅需要单根天线，避免了大量的阵子。本发明通过旋转天线在时域上的脉冲积累得到在雷达探测方向上等效oam电磁波，并利用不同oam波的rcs分集特性增强雷达对弱小目标的检测前信噪比，提高检测概率。

由于不同oam电磁波的rcs不同，所以本发明在接收端采用分集接收技术，可以在发射端发送不同oam模式数的电磁波，并在接收端采用合并分集的方式直接接收；进一步地，可以采用选择分集技术，通过认知不同oam模式数电磁波照射下目标的rcs大小，采用波形认知技术，选择出最优的oam模式数对应的oam电磁波进行发射，从而提高被照射目标的rcs。

图2显示了旋转天线等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达的信号处理流程图。通过天线和发射机参数决定发射波形，经过目标反射之后，接收目标的回波，在接收机当中对目标进行了变频、采样等处理。如果天线没有完成一个发射周期，即旋转一周，则信号处理器先将回波信号存储起来，等到完成一个发周期后，再将一个周期的信号进行相干积累，从而得到合成后的脉冲信号。之后对脉冲信号进行恒虚警检测。在数据处理器当中可以选择合并分集或者是选择分集，如果是合并分集可以对各路oam信号进行最大比合并或等增益合并；如果是选择分集，则进一步对检测结果进行认知处理，判断当前oam模式数下目标的rcs，并选择能够使目标rcs增大的oam电磁波，并将需要调整的参数反馈天线和发射机以进行调整。

在本发明的一个实施例中，发射端发送线性调频信号(lfm)给旋转天线，由于雷达采用双工的工作方式，在相邻脉冲的间隔，天线收到回波信号。把回波脉冲先存储起来，等到天线旋转完一圈之后，将这些回波信号进行相参积累得到一个合成信号，这个合成的信号就是等效的oam回波信号。

旋转天线由m根均匀分布的圆形天线阵构成。旋转周期定义为天线阵以原点为中心匀速做逆时针(顺时针)旋转弧度，旋转的角速度为ω，则旋转周期为旋转过程中m根天线同时发射脉冲信号，在一个周期内发射n个脉冲，即每一个脉冲由这m路信号进行叠加而成。各个天线发射的信号具有以为增量线性增加的相位梯度，其中l为需要oam电磁波的模式数。例如，第一根天线发射的相位为0，第二根天线发射的相位为第i根天线发射的相位为第m根天线的相位为随着天线旋转，各个天线在各个发射点出的发射的信号相对初始信号也具有线性相移，在时，第i根天线发射信号的相位为这样就保证了m根天线在周期的时间内，发射的所有m×n个信号构成了相位梯度从0到并以为间隔的序列。这个信号序列的叠加可以形成模式数为l的oam信号，并且产生的oam模式数l需要满足的限制条件为

所述m根天线在一个旋转周期内发射的所有m×n个信号之间构成的相位梯度有两种方法，第一种是给天线配置移相器，使得天线旋转到发射脉冲位置的时候，通过移相器产生所需要的相位梯度，这种产生方式比较灵活，如果移相器的精度够高，可以产生任意oam模式数的信号。

第二种方法不配置移相器，这样m根天线发射的信号之间就没有相差或者说相差为2π的整数倍，即其中m为正整数，这时可以产生特定oam模式数的信号。在天线旋转过程中需要的相移，则由天线旋转具有的时延导致，具体推导过程如下：在相邻脉冲的时间间隔内，天线所具有的相差应该满足

其中n为正整数，用来调节相邻脉冲之间相位相差的周期数。所以

因此，天线的转速需要满足

再由l＝mm

为了解决oam波的波束角发散问题，在本发明的实施例中可以用一个抛物面天线或者是透镜等聚束装置将旋转天线产生的oam波的波束进行汇聚。

图3为旋转天线示意图，在本发明的一个具体实施例中，旋转天线202可以由一根天线或者m根天线组成的环形天线阵构成，该天线或天线阵围绕半径为r的圆环在旋转装置201的带动下做匀速圆周运动。天线旋转平面的法线方向与天线波束的传播方向一致。旋转天线的阵子可以是喇叭天线、抛物面天线、贴片天线等指向性或者全向天线。

图4显示了信号合成的过程，假设在一个旋转周期中发射n个脉冲，脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为tr，则天线旋转一周的周期为t＝ntr。在接收端第一个脉冲的回波时延为(n-1)tr,第二个为(n-2)tr，第i个为(n-i)tr,第n个无时延，最后在合成器中进行相参积累，从而形成一个等效的oam信号。

图5为认知处理器的信号处理流程图。

在系统的数据处理器计算不同oam模式数电磁波的检测结果后，把该结果送入认知处理器当中。在认知处理器当中采用优选的策略，分析不同oam模式数电磁波的rcs，并选择可以产生使得目标rcs最大的oam模式数。完成优选后，将选择的策略变成控制指令控制信号发射子系统当中的信号产生器以及天线子系统单当中的旋转装置用以产生相应的oam电磁波。

在本发明的一个具体实施例中，电磁波轨道角动量波形集合为lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，发射的电磁波轨道角动量子集为允许发射的电磁波轨道角动量信号路数为k路，其中lmax为最大电磁波轨道角动量模式数，表示初始时刻第k路所发射的电磁波轨道角动量模式数，且有

在认知处理器衡量每一路电磁波轨道角动量信号的信噪比，第i路的信噪比为βi,所有k路中最大的信噪比为βmax,第i路信号有的概率改变下一次发射的电磁波轨道角动量模式数，即为下一次发射的波形，从而保持对目标探测的最优状态。

图6显示了在本发明的一个具体实施例当中的仿真场景。

在本发明的一个具体实施例中，oam电磁波沿y轴入射由第一小球1和第二小球2组成的简单复杂散射体。两个小球可以视为点散射体，并且相距d＝1m，电磁波的频率为10ghz，旋转天线距离散射体的距离r＝20000m。采用了oam模式数l＝10、l＝100、l＝1000的电磁波，在自由参数m＝9999999、脉冲重复周期tr＝10^-3时，相对应的转速为ωl＝10＝2π×100rad/s、ωl＝100＝2π×10rad/s、ωl＝1000＝2πrad/s。在远场环境下，不同oam模式数电磁波对该散射体进行入射。1与2的连线与y轴的角度为θ，随着θ的改变，该散射体在y轴方向的rcs也将发生变化。

图7显示了在本发明的一个具体实施例当中的仿真结果。

在图7中，为了便于观察不同oam电磁波之间rcs的区别，θ的范围从0°变化到20°，并采用归一化的rcs，即不同角度的rcs除以rcs的最大值，来度量不同oam电磁波。从图中可以看出当oam模式数为100的电磁波与平面波的rcs衰落位置具有明显的差异。当进一步增大oam模式数到1000的时候，rcs衰落的频率显著提高。最后通过认知处理器的优选将会选择出最优的oam波从而避免相应位置的深衰落，从而提升接收端的信噪比，提升对弱小目标的检测概率。

图8显示了本发明采用相控阵天线电扫来代替机械旋转的示意图。

该旋转天线由相控阵天线与一个环形反射面组成，相控阵天线位于环形反射面的焦平面，波束中心位于焦点处。随着相控阵天线的发射波束或波束簇均匀地改变反射方位角，经过反射面反射后的波束沿着圆环反射面中心匀速旋转。这种波束旋转与本发明提到的m个天线阵子在旋转装置带动下作机械旋转的方式等效，所以这种电扫方式提供了另外一种旋转天线的波束产生方式。