一种涡旋电磁波散射场的快速确定方法及装置

本发明涉及涡旋电磁波散射领域，特别是指一种涡旋电磁波散射场的快速确定方法及装置。

背景技术：

1、雷达目标散射问题是雷达系统对目标的探测中的一个重要问题。传统的目标散射问题都是针对均匀平面波照射下，各种雷达目标的散射回波的特性。随着技术的发展，雷达所使用的对目标的照射波束也越来越丰富。例如，最新出现的涡旋电磁波，也被用来进行雷达目标的探测应用。

2、涡旋电磁波是一种在方位向引入了相位变化的一种电磁波形态，其通过在方位向引入变化的相位项。涡旋电磁波，顾名思义，其与通常的平面波或球面波的区别在于其等相位面是涡旋面。涡旋电磁波表达式中既存在球面波相位因子项、也存在沿方位向的相位因子项，这两个相位因子项共同构成了涡旋电磁波在空间中的涡旋相位面形态。若从角动量的角度来看，涡旋电磁波也称之为携带oam(orb i ta l angu l ar momentum，轨道角动量)的电磁波，即具有轨道角动量的电磁波。涡旋电磁波的研究最早是从光学频段开始的。例如，使用涡旋光波，可以生成光学镊子、光学扳手等等，其原理是基于角动量的时间变化率为力矩。因而可以利用涡旋电磁波的轨道角动量特性来实现光波的机械力矩。光波仅为一特殊频段的电磁波，而其涡旋电磁波形态的产生并不取决于频率，因此，对于其它频段，也存在涡旋电磁波形态。例如，通信和雷达常用的微波波段。

3、与光波波段不同的是，微波波段对于涡旋电磁波的利用并不在于其轨道角动量和力矩，而是信号的方位向相位。其方位向的相位调制却为微波通信和雷达探测提供了额外的一维调制方式。

4、使用具有一系列模式的涡旋电磁波照射同一个目标，可以实现圆周向的分辨能力，从而实现基于涡旋电磁波的雷达成像。成像分辨率取决于模式带宽。由于涡旋电磁波成像需要使用较宽的模式带宽，因而需要产生较多的涡旋电磁波模式。因此需要研究多个不同的模式数的涡旋电磁波照射下的目标的散射特性。而为了研究这样的散射特性，就需要计算不同模式数的涡旋电磁波照射下的目标的散射回波。由于成像所需要使用的模式数较多，因而散射回波的计算量较大。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的由于成像所需要使用的模式数较多，散射回波计算量较大的技术问题，本发明实施例提供了一种涡旋电磁波散射场的快速确定方法及装置。所述技术方案如下：

2、一方面，提供了一种涡旋电磁波散射场的快速确定方法，该方法由散射场确定设备实现，该方法包括：

3、对目标建立数学坐标系；

4、基于建立的数学坐标系，对涡旋电磁波进行分解，将其表示为若干个辐射单元的辐射场之和；

5、使用均匀平面波照射目标；

6、确定在均匀平面波入射下，目标的散射场在各辐射单元位置处的值；

7、基于确定的目标的散射场在各辐射单元位置处的值，根据电磁场互易定理，获得不同模式数的涡旋电磁波照射下，目标在远场观察点处的散射场。

8、进一步地，所述对目标建立数学坐标系包括：

9、以目标的几何中心或质量中心作为原点o，建立目标本地坐标系。

10、进一步地，所述基于建立的数学坐标系，对涡旋电磁波进行分解，将其表示为若干个辐射单元的辐射场之和包括：

11、基于建立的数学坐标系，对涡旋电磁波进行分解，将涡旋电磁波表达为圆环上若干个辐射单元在空间中辐射场的和；其中，圆环上辐射单元的总数目记作n，第n个辐射单元的位置矢量为rn，1≤n≤n，圆环中心点位置矢量为rc；

12、记待求散射场的远场观察点p的位置为rp。

13、进一步地，所述使用均匀平面波照射目标包括：

14、以待求的远场散射波的散射方向的反向——即作为入射均匀平面波的波矢量方向；

15、令均匀平面波在原点o处的散射场为1v/m，相位为零。

16、进一步地，所述确定在均匀平面波入射下，目标的散射场在各辐射单元位置处的值包括：

17、确定在均匀平面波入射下，圆环上各接收点处的散射场的值，其中，接收点为辐射单元的位置，记圆环上第n个辐射单元的位置rn处的散射场为enr。

18、进一步地，所述基于确定的目标的散射场在各辐射单元位置处的值，根据电磁场互易定理，获得不同模式数的涡旋电磁波照射下，目标在远场观察点处的散射场包括：

19、对圆环上n个接收点处接收到的散射场进行相位和幅度调整后，再进行离散傅里叶变换处理，得到以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs：

20、

21、其中，表示以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs，rcs表示雷达散射截面；rn表示第n个辐射单元的位置矢量；rc为圆环中心点位置矢量，rp为待求散射场的远场观察点p的位置矢量，尖号表示单位矢量；enr为圆环上第n个辐射单元的位置rn处的散射场；k为波数；

22、根据该复rcs，获得以涡旋电磁波模式l照射下的目标在远场观察点rp处的散射场。

23、进一步地，获得的以涡旋电磁波模式l照射下的目标在远场观察点rp处的散射场为：

24、

25、其中，表示具体取时的以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs。

26、另一方面，提供了一种涡旋电磁波散射场的快速确定装置，该装置应用于涡旋电磁波散射场的快速确定方法，该装置包括：

27、建立模块，用于对目标建立数学坐标系；

28、分解模块，用于基于建立的数学坐标系，对涡旋电磁波进行分解，将其表示为若干个辐射单元的辐射场之和；

29、照射模块，用于使用均匀平面波照射目标；

30、第一确定模块，用于确定在均匀平面波入射下，目标的散射场在各辐射单元位置处的值；

31、第二确定模块，用于基于确定的目标的散射场在各辐射单元位置处的值，根据电磁场互易定理，获得不同模式数的涡旋电磁波照射下，目标在远场观察点处的散射场。

32、进一步地，所述第二确定模块，具体用于对圆环上n个接收点处接收到的散射场进行相位和幅度调整后，再进行离散傅里叶变换处理，得到以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs：

33、

34、其中，表示以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs，rcs表示雷达散射截面；rn表示第n个辐射单元的位置矢量；rc为圆环中心点位置矢量，rp为待求散射场的远场观察点p的位置矢量，尖号表示单位矢量；enr为圆环上第n个辐射单元的位置rn处的散射场；k为波数；

35、根据该复rcs，获得以涡旋电磁波模式l照射下的目标在远场观察点rp处的散射场。

36、进一步地，获得的以涡旋电磁波模式l照射下的目标在远场观察点rp处的散射场为：

37、

38、其中，表示具体取时的以涡旋电磁波模式l照射下的目标的复rcs。

39、另一方面，提供一种散射场确定设备，所述散射场确定设备包括：处理器；存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现如上述涡旋电磁波散射场的快速确定方法中的任一项方法。

40、另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述涡旋电磁波散射场的快速确定方法中的任一项方法。

41、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

42、1、避免了在进行电磁数值计算时修改右端项，直接使用平面波入射；

43、2、以一次散射、多点测量，代替多个涡旋电磁波模式下的多次散射，大大降低了计算多个模式涡旋电磁波照射下的散射场的运算量。