一种基于涡旋电磁波的无线电引信成像方法

本发明属于雷达信号处理，具体涉及一种基于涡旋电磁波的无线电引信成像方法。

背景技术：

1、涡旋电磁波及其相关概念是近年来电磁学的重要发现。电磁波除了自旋角动量(即极化效应)之外，还可同时具有轨道角动量(orbital angular momentum，oam)，携带oam的电磁波被称为涡旋电磁波。与平面波相比，涡旋波增加了模态相关的方位调制相位其中l为模态数，表征轨道角动量的大小，为围绕传播轴的方位角。回波信号在模态域与方位角域的表征形成傅里叶变换对，因此对模态域回波进行快速傅里叶变换处理，可直接提取出目标所在方位角，处理过程具有高效性，不需多个脉冲的相干积累。此外，涡旋电磁波在方位角维的梯度相位分布导致了等相面的扭曲，因此能量传播方向有偏轴发散特性，因此涡旋波束呈圆锥筒状，发散角则随着模态而变化，因此通过模态的一维变化，涡旋波束则可实现对较大空域的二维覆盖。

2、无线电引信通过接收目标反射的电磁波信号，提取目标的信息(距离、速度、角度等)，能够适应全天候作战，具有良好的引战配合效果、较好的目标适应能力和较远的探测距离等优点。但是当前的无线电引信技术体制相对单一，获取信息维度少，不能从多维度敏感目标或环境物理场，易受电磁干扰环境影响。由于作战现场环境复杂多样，再加上各类干扰手段容易使无线电引信发生早炸或停炸等故障进而丧失打击能力。

3、现有无线电引信的成像性能受限于积累时间、合成孔径维度、波束分辨瑞利限、回波信噪比等约束，大部分未采用阵列体制，在复杂电磁环境下不具备优势，亟需开展新型无线电引信探测成像等研究。

技术实现思路

1、为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于涡旋电磁波的无线电引信成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供一种基于涡旋电磁波的无线电引信成像方法，包括：

3、采用发射天线阵列发送模态值范围为(-n/2,n/2)的涡旋电磁波，并通过接收天线接收目标的散射回波信号；所述发射天线阵列包括n个均匀分布在半径为a的圆周上的发射天线，所述接收天线位于圆心处；n和a均为正整数；

4、采用补偿函数对所述散射回波信号补偿，得到补偿后的散射回波信号；

5、对所述补偿后的散射回波信号进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号，根据所述脉冲压缩后的信号得到所述目标的距离像；

6、根据所述散射回波信号，以及预设的涡旋电磁波波束张角与模态值的线性关系，确定所述目标的俯仰角；

7、基于所述脉冲压缩后的信号、所述目标的俯仰角、预设的俯仰角与有效模态的线性关系，以及快速傅里叶变换，确定所述目标的方位角，完成对所述目标的三维成像。

8、在一些实施例中，所述根据所述散射回波信号，以及预设的涡旋电磁波波束张角与模态值的线性关系，确定所述目标的俯仰角，包括：

9、从所述散射回波信号中选取幅值最大的回波信号对应的模态值；

10、根据选取的模态值，以及预设的涡旋电磁波波束张角与模态值的线性关系，确定所述选取的模态值对应的波束张角作为所述目标的俯仰角；所述预设的涡旋电磁波波束张角与模态值的线性关系包含多个不同的涡旋电磁波波束张角与多个不同的模态值的一一对应关系。

11、在一些实施例中，所述基于所述脉冲压缩后的信号、所述目标的俯仰角、预设的俯仰角与有效模态的线性关系，以及快速傅里叶变换，确定所述目标的方位角，包括：

12、根据所述目标的俯仰角从预设的俯仰角与有效模态的线性关系中，选取所述目标的俯仰角对应的有效模态；所述预设的俯仰角与有效模态的线性关系包括多个不同的俯仰角与多个不同的有效模态的一一对应关系；所述有效模态为一个模态值范围；

13、对所述脉冲压缩后的信号中，与所述目标的俯仰角对应的有效模态对应的信号进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换后的信号，根据所述快速傅里叶变换后的信号得到所述目标的方位角。

14、在一些实施例中，第n个天线的方位角φn＝2π(n-1)/n,n＝1,2,...,n，且天线馈电采用相等幅度、线性递增相位的激励方式，每个阵元发射带宽为b、调频率为k的线性调频信号；当所述发射天线阵列发射模态值为l的涡旋电磁波时，所述第n个天线的相位偏移αn＝lφn＝2πl(n-1)/n，-n/2＜l＜n/2。

15、在一些实施例中，所述采用补偿函数对所述散射回波信号补偿，得到补偿后的散射回波信号，包括：

16、采用补偿函数对所述散射回波信号中的bessel函数进行补偿，得到补偿后的散射回波信号。

17、在一些实施例中，所述散射回波信号的表达式为：

18、

19、所述补偿函数的表达式为：

20、

21、其中，sr(t,l)为所述散射回波信号，ρl为所述补偿函数，t为快时间变量，m为所述目标的个数，τm为第m个目标的时延，t为脉冲周期，fc为信号载频，k为波数，rect[.]为矩形窗函数，σm为所述第m个目标的散射系数，为所述第m个目标的方位角，θm为所述第m个目标的俯仰角，jl(·)表示l阶第一类bessel函数，-n/2＜l＜n/2，k为调频率。

22、在一些实施例中，所述脉冲压缩后的信号的表达式为：

23、

24、pr＝|k|tsinc[|k|t(t-τm)]；

25、其中，srange(t,l(为所述脉冲压缩后的信号，t为快时间变量，m为所述目标的个数，τm为第m个目标的时延，t为脉冲周期，fc为信号载频，k为波数，rect[.]为矩形窗函数，σm为所述第m个目标的散射系数，为所述第m个目标的方位角，θm为所述第m个目标的俯仰角，jl(·)表示l阶第一类bessel函数，-n/2＜l＜n/2，k为调频率，pr为距离包络，为补偿后的bessel函数。

26、在一些实施例中，所述快速傅里叶变换后的信号的表达式为：

27、

28、其中，为所述快速傅里叶变换后的信号，wa为方位角包络，为变量，[l+nl,l-nl]为所述有效模态，t为快时间变量，m为所述目标的个数，τm为第m个目标的时延，t为脉冲周期，fc为信号载频，k为波数，rect[.]为矩形窗函数，τm为所述第m个目标的散射系数，为所述第m个目标的方位角，θm为所述第m个目标的俯仰角，jl(·)表示l阶第一类bessel函数，-n/2＜l＜n/2，k为调频率，pr为距离包络，为补偿后的bessel函数。

29、在一些实施例中，所述涡旋电磁波的传播方向与所述发射天线阵列所在的平面垂直。

30、在一些实施例中，所述目标的俯仰角和方位角是在球坐标系下的俯仰角和方位角；所述球坐标系的原点为所述接收天线的位置，所述球坐标系的xoy面为所述发射天线阵列所在的平面，所述球坐标系的z轴为所述发射天线阵列所在的平面的法线方向。

31、本发明具有如下有益技术效果：

32、利用对模态域回波进行快速傅里叶变换处理，可以直接提取出目标所在方位角，不需多个脉冲的相干积累，相比传统引信探测更加具有高效性，并且可以突破传统引信探测中物理孔径对分辨率的限制。可以利用涡旋波特有的幅度调制和预设的涡旋电磁波波束张角与模态值的线性关系，快速获得目标的俯仰角信息，并仅通过模态的一维变化，就实现了较大空域的二维覆盖。可以利用对补偿后的散射回波信号的脉冲压缩获得目标距离信息。即本发明通过涡旋波oam模态引入的新维度，结合涡旋波独有的幅度调制特性，对目标实现了距离、方位和俯仰的三维成像，扩展了无线电引信的成像维度，形成了一种新型、高性能、高可靠性的引信探测方法。

33、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。