基于电磁涡旋的雷达目标成像方法

Electromagnetic(EM) vortex is one kind of EM wave with a special helical wavefront, and it orignates from to the concept of orbital angular momentum(OAM). As a newly emerging information carrier, it will become a promise manner for radar monitoring. With the characteristics of EM vortex and the interacting mechanism between the radar target and such EM field being expored,this project focuses on the EM vortex based radar target imaging theory and methods. According to the phase distribution of vortical wave, the methods of wave generation and receiving are studied and a corresponding experimental system based on phased array will be established. Aiming at the typical radar targets, the interacting mechenism between the target and the vortical field is explored, with which the scattering model excited by the vortex is constructed and the de-vortex effect of the target is researched. Meanwhile, the efficient method is also under consideration to represent the corresponding radar target characteristics. After the phase of echo signal being analyzed, the phase compensation method is provided to acquire the final measurements. Based on that, the measurements of vortical field echoes are applied to estimate the spatial distribution of scattering characteristics and to provide the corresponding radar image. Finally, the theory, model and method of EM vortex based radar target imaging will be presented in this project, which may provide new idea and technichal support for radar target monitoring and recognition.

电磁涡旋是一种与轨道角动量相联系的、波前具有螺旋结构的电磁波。它是一种全新的信息载体，可望成为雷达探测领域的新手段。本项目拟从涡旋电磁场特性以及目标与场的相互作用机理入手，探索研究基于电磁涡旋的雷达目标成像理论与方法。结合电磁涡旋的相位分布特点，研究涡旋电磁场的产生和接收方法，利用相控阵列建立涡旋电磁场的收发实验系统。针对典型的雷达目标，探索目标与涡旋电磁场的相互作用机理，建立目标在涡旋场照射下的电磁散射模型，研究目标的去涡旋效应，挖掘目标的雷达特性及其表征方法。通过分析回波信号的相位关系，研究接收阵列的相位补偿方法。在此基础上，利用涡旋场回波观测反演目标电磁散射特性的空间分布，生成相应的图像，形成电磁涡旋雷达目标成像的理论、模型和方法，为雷达目标探测与识别提供新的思路和技术支持。

电磁涡旋的等相面具有螺旋结构,通过信号波前的变化可实现相对静止目标的成像。本项目重点探讨涡旋电磁波照射下的雷达目标成像模型和方法,并建立相应的实验系统。主要研究成果如下:.（1）研究了涡旋波的传播特性和涡旋波阵列天线的辐射特性。讨论了电磁涡旋场解表达式和涡旋电磁波的传播特性；针对远场条件，分析了单圆环阵列和多圆环阵列的辐射特性，并仿真分析了该天线的方向图和相位分布特点，研究了涡旋波模式数的提取方法及提取精度；分析验证了微带天线阵元之间的互耦特性，为涡旋波收发天线的设计提供了基础。.（2）以环形阵列天线为基础，建立了多入多出电磁涡旋激励下的回波信号模型和成像方法，分析了电磁涡旋成像的分辨率性能。.首先，分析了涡旋波激励下的目标特性，建立了全涡旋模式宽带回波的一般模型,研究了波数与距离时延、涡旋模式数与方位角变量之间的对偶关系。结果表明，利用OAM域的观测可以实现方位向的高分辨。与同发射/接收模式或单接收模式相比，该模型可以充分利用多通道测量，提高信息增益。.其次,针对相同的收发涡旋模式，从理论上分析了涡旋电磁波的角分辨率。针对环形阵列天线，从理论上推导了有限阵元条件下的天线对涡旋电磁波的辐射特性。结果表明，有限阵元天线的辐射场具有周期延拓特性。.最后，提出了多涡旋模式和单涡旋模式下基于反投影、滤波-傅里叶变换的电磁涡旋成像模型。研究结果表明，多涡旋模式能够获得更好的成像效果。针对涡旋模式数通常为整数的特点，研究了基于信号稀疏表示的雷达目标成像方法，提出了一种局部优化的散射中心提取方法，提高了散射中心类型参数的估计精度。.（3）设计并实现了涡旋电磁波收发实验系统，利用暗室测量了单圆环天线的方向图和相位分布，并从相位分布图中提取了涡旋电磁波的涡旋模式数。实测结果与理论仿真结果的对比表明，该系统可产生较为纯净的涡旋电磁波。.本项目的研究成果可为波前调制新体制雷达的数据获取、成像处理供技术支持。