基于轨道角动量调制的雷达成像

As an information acquisition means in all-time, all-weather and long-distance conditions, radar imaging technology has a wide application in the space surveillance, earth observation and precision guided weapon realms, which has attracted more and more attention of many countries. For the traditional radar imaging applications, the wave fronts are usually considered as a plane and amplitude, frequency or phase modulation of the electromagnetic (EM) wave is the common way of carrying information. However, a novel modulation method of the EM wave has attracted intensive attention recently when the wave front acts as EM vortex for information modulation. While the orbital angular momentum (OAM) modulation of the traditional EM wave is performed, the EM wave has a helical phase front and hence called EM vortex wave, which has the prospect for improving the information transfer and acquisition abilities of the EM wave and achieving super-resolution of the cross-range profile of the radar target..This project focuses on the scientific problems of the OAM based radar target imaging technology, which dedicates to study the generation mechanism and method of the EM vortex wave, to establish the mathematical model of the interaction between the EM vortex and the target, to investigate the target scattering characteristics. We try to explore the imaging mechanism exploiting orbital angular momentum and propose robust imaging algorithms. The corresponding results of this project can provide forward-looking or staring imaging with substantial technical supports and promote the significant development of radar imaging technology.

作为一种全天时、全天候、远距离的信息获取手段，雷达成像技术在空间监视、对地观测、精确制导等领域有着重要的应用。传统雷达技术通常采用远场平面波近似，信息调制主要在时域、频域或极化域。作为信息载体的电磁波除了传统信息携带方式外，近年来其相位波前信息调制能力也越来越受到关注。当对电磁波加载轨道角动量调制时将形成电磁涡旋波，其相位波前呈现出螺旋形结构，可在其上调制所需信息，提高电磁波的信息传递和获取能力，有望实现雷达方位向超分辨。.本课题围绕基于轨道角动量调制的雷达目标成像技术，研究电磁涡旋波产生机理，提出微波电磁涡旋波产生方法；建立电磁涡旋波与目标相互作用数学模型，研究目标对电磁涡旋波的散射特性；探索利用电磁场轨道角动量信息进行雷达成像的基本原理，提出稳健的成像算法。研究成果可以为雷达前视/凝视成像等重大应用需求提供技术支撑，与SAR和ISAR等传统成像方式形成互补，促进雷达成像技术的跨越式发展

作为一种全天时、全天候、远距离的信息获取手段，雷达成像技术在空间监视、对地观测、精确制导等领域有着重要的应用。作为信息载体的电磁波除了传统信息携带方式外，近年来其相位波前信息调制能力也越来越受到关注。当对传统电磁波加载轨道角动量调制时将形成电磁涡旋波，其相位波前呈现出螺旋形结构，可在其上调制所需信息，提高电磁波的信息传递和获取能力,有望实现雷达方位向高分辨。本课题围绕基于轨道角动量调制的雷达目标成像技术，重点对电磁涡旋波产生机理与产生方法、电磁涡旋波与目标相互作用机理和电磁涡旋原理与成像算法等基础理论问题展开研究，建立基于轨道角动量调制的微波凝视高分辨率成像的理论体系，促进雷达成像技术的跨越式发展。.本课题首先阐述了涡旋电磁波与轨道角动量之间的物理关系，分析了电磁涡旋波产生机理，提出了基于阵列天线方式的电磁涡旋波产生方法；其次，分析了阵列天线下产生的涡旋辐射场分布特性，基于几何绕射理论模型描述电磁涡旋波与目标相互作用过程，建立了相互作用数学描述模型，提出了电磁涡旋波散射场计算方法，以金属平板目标为例，研究了金属平板在电磁涡旋波照射下的散射场空间分布特性和散射特性，提出了基于轨道角动量的雷达散射截面定义（OAM-based Radar Cross Section, ORCS），分析了目标尺寸、信号频率等因素对金属平板ORCS特性的影响，给出了不同模态照射下金属平板对散射轨道角动量模态的调制作用；第三，研究了电磁涡旋成像基本原理，建立了基于轨道角动量的凝视成像数学模型，提出了三种轨道角动量调制雷达成像算法：傅里叶变换法、逆投影滤波法、最小二乘法，总结精炼了电磁涡旋成像的主要特点与性能优势，首次在国际上率先开展了低阶轨道角动量一维方位向成像原理验证实验，实验结果验证了成像算法的有效性和成像分辨率。.本课题的研究工作和研究成果，建立并形成了电磁涡旋成像理论与方法体系，丰富了电磁涡旋基础理论与应用技术，同时也为新体制雷达探测和成像技术的发展提供了有益的借鉴。