[发明专利]基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法

说明书

本发明属于雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法。该方法包括根据涡旋电磁波的特性、结合条带SAR的工作模式，建立该新体制雷达的成像模型，设定场景、目标、发射信号相关参数，推导得到目标回波方程，并分析目标回波方程，得到关于第三维度的信息与目标几何位置分布、轨道角动量模式数之间的内在关系；针对目标的三维成像，提出不同维度方向的信息获取方法，基于不同维度方向之间的空间几何关系进行转换，实现笛卡尔坐标系下目标的三维成像。本发明利用携带有轨道角动量的涡旋电磁波，其直接附载目标方位角的特性提供了第三维度方向的分辨，结合传统SAR成像方法实现了对目标的三维成像。

技术领域

本发明涉及雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法。

背景技术

在传统雷达目标成像技术中，主要是基于距离-多普勒实现对目标的成像。以合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)为代表的成像雷达，通过发射大时间带宽积信号来获取距离向上高分辨率，通过合成孔径形成大虚拟天线孔径来实现方位向上高分辨，然而，该成像是在三维空间中，将观测场景沿雷达视线方向进行投影，得到一个反映目标散射性能的二维重构结果，而目标其它维度信息无法获取。相比于传统电磁波，涡旋电磁波是一种具有扭曲螺旋形波前分布的特殊电磁波，其波前空间分布结构与轨道角动量模式数相联系，为信息调制提供了一个新的自由度。此外，涡旋电磁波将目标的方位角维度信息直接调制在回波信号相位之中，具有直接在方位角域对目标进行高分辨成像的潜力。通过SAR运动平台发射涡旋电磁波有望实现对目标的三维成像，其第三维度信息的获取与分辨，与轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)模式数、雷达与目标间的相对几何位置、以及合成孔径长度之间有着确定的内在关系，利用这一性质可以实现上述传统SAR成像观测场景下的目标三维成像。

目前已有涡旋电磁波在雷达成像领域中的探索和研究工作主要集中在凝视成像方面，展现了其相对于传统成像体制和方法的优势和潜力。然而，基于涡旋电磁波的SAR成像研究尚处于起步研究阶段，在成像原理、成像模型和方法等方面，存在诸多原理性问题亟待解决。特别是，如何利用涡旋电磁波的特性，从传统SAR的观测场景中提取出目标其它维度的信息，以及新维度方向的分辨性能、影响因素的分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何利用涡旋电磁波与SAR平台相结合的雷达实现对目标的三维成像，本发明提出一种涡旋条带SAR目标三维成像方法，可以有效对目标进行三维成像。

本发明的基本思想是：根据涡旋电磁波的特性，结合条带SAR的工作模式，建立成像模型，设定场景、目标、发射信号相关参数，推导得到目标回波方程，并对目标回波方程进行分析，得到关于第三维度的信息与目标几何位置分布、轨道角动量模式数之间的内在关系；针对目标的三维成像，提出不同维度方向的信息获取方法，基于不同维度方向之间的空间几何关系进行转换，并对不同维度信息的分辨性能进行分析。最后，实现笛卡尔坐标系下目标的三维成像。具体技术方案如下：

一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法，包括下述步骤：

步骤S1，建立成像场景模型，并基于场景模型得到目标散射回波方程；

步骤S2，依据回波方程中目标在不同维度方向具有的不同信息特征，分别获取目标在不同维度方向的回波信息；

步骤S3，根据不同维度方向之间的空间几何关系，求解目标的三维坐标，进而完成目标三维成像。

优选地，所述步骤S1的具体过程为：

设雷达天线为均匀圆形阵列天线，圆形阵列天线所在的阵面平行观测场景且距地面高度为H，雷达以速度v工作在条带SAR成像模式，笛卡尔坐标系的原点O固定在雷达航迹的中点，x轴方向与速度方向一致，z轴方向垂直指向地面，y轴方向根据右手法则确定，进一步设雷达到达O点的时刻为慢时间η的原点，则目标散射回波方程为：