当期目录

2021年  10卷  第5期
涡旋雷达成像
涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而具有螺旋状的波前结构。相比于平面波,涡旋电磁波在进行雷达成像时,回波信号中将包含有目标的方位向信息,所以这种电磁波在雷达探测和成像领域中展现出了巨大的应用潜力,有望成为新体制雷达的发展方向。该文主要介绍近年来涡旋雷达成像技术的研究进展,首先介绍了涡旋电磁波的特征和使用均匀圆形阵列进行雷达成像的原理,然后按照涡旋雷达成像模型、涡旋雷达凝视成像算法和涡旋雷达运动成像3种研究方向综述了涡旋雷达成像技术的发展历程和研究现状。最后,对涡旋电磁波在雷达成像中的发展前景进行了展望,并指出未来涡旋雷达成像发展的一些关键的科学问题和趋势。 涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而具有螺旋状的波前结构。相比于平面波,涡旋电磁波在进行雷达成像时,回波信号中将包含有目标的方位向信息,所以这种电磁波在雷达探测和成像领域中展现出了巨大的应用潜力,有望成为新体制雷达的发展方向。该文主要介绍近年来涡旋雷达成像技术的研究进展,首先介绍了涡旋电磁波的特征和使用均匀圆形阵列进行雷达成像的原理,然后按照涡旋雷达成像模型、涡旋雷达凝视成像算法和涡旋雷达运动成像3种研究方向综述了涡旋雷达成像技术的发展历程和研究现状。最后,对涡旋电磁波在雷达成像中的发展前景进行了展望,并指出未来涡旋雷达成像发展的一些关键的科学问题和趋势。
相位波前受轨道角动量调制的涡旋电磁波,在雷达前视成像领域得到广泛关注和研究。基于涡旋电磁波雷达成像原理和方法,该文重点对方位分辨力展开研究。首先,分析了贝塞尔幅度项对方位分辨性能的影响,结果表明,在贝塞尔幅度窗影响下,涡旋电磁波雷达方位分辨性能由有效OAM模态范围决定。其次,提出了一种有效OAM模态范围计算方法,并分别对方位角分辨率、空间分辨率以及超实孔径雷达分辨率进行了表征。最后,仿真分析了方位基本分辨性能随不同影响因素的变化规律,改变波长孔径比、成像俯仰角,能增大有效OAM模态范围,提升方位分辨性能。拟合得到了有效OAM模态范围、超实孔径雷达分辨率关于波长孔径比和成像俯仰角的近似表达式,为涡旋电磁波雷达参数设计与优化提供参考。 相位波前受轨道角动量调制的涡旋电磁波,在雷达前视成像领域得到广泛关注和研究。基于涡旋电磁波雷达成像原理和方法,该文重点对方位分辨力展开研究。首先,分析了贝塞尔幅度项对方位分辨性能的影响,结果表明,在贝塞尔幅度窗影响下,涡旋电磁波雷达方位分辨性能由有效OAM模态范围决定。其次,提出了一种有效OAM模态范围计算方法,并分别对方位角分辨率、空间分辨率以及超实孔径雷达分辨率进行了表征。最后,仿真分析了方位基本分辨性能随不同影响因素的变化规律,改变波长孔径比、成像俯仰角,能增大有效OAM模态范围,提升方位分辨性能。拟合得到了有效OAM模态范围、超实孔径雷达分辨率关于波长孔径比和成像俯仰角的近似表达式,为涡旋电磁波雷达参数设计与优化提供参考。
涡旋电磁波得名于其传播时围绕行进轴的旋转现象,该电磁属性被称为轨道角动量。基于其在方位角上的目标分辨能力,该文将涡旋电磁波引入传统的合成孔径成像中,提出了一种新的三维成像方案。在结合轨道角动量模态域之后,将合成孔径雷达二维回波扩展到三维。首先,基于波形分集理论,获取同时多模态回波数据,并利用傅里叶变换(FT)变换到方位角维,形成距离-合成孔径方位-方位角三维数据。然后,基于Radon-FT,提出了一种联合二维方位压缩算法来生成三维目标成像。仿真结果验证了系统和算法的性能,证明了涡旋电磁三维合成孔径成像雷达系统的优越性。 涡旋电磁波得名于其传播时围绕行进轴的旋转现象,该电磁属性被称为轨道角动量。基于其在方位角上的目标分辨能力,该文将涡旋电磁波引入传统的合成孔径成像中,提出了一种新的三维成像方案。在结合轨道角动量模态域之后,将合成孔径雷达二维回波扩展到三维。首先,基于波形分集理论,获取同时多模态回波数据,并利用傅里叶变换(FT)变换到方位角维,形成距离-合成孔径方位-方位角三维数据。然后,基于Radon-FT,提出了一种联合二维方位压缩算法来生成三维目标成像。仿真结果验证了系统和算法的性能,证明了涡旋电磁三维合成孔径成像雷达系统的优越性。

基于轨道角动量(OAM)的涡旋雷达因其在高分辨率成像方面具有巨大潜力而受到广泛关注。有限OAM模式下的涡旋雷达高分辨率成像问题,通常采用稀疏恢复的方法来解决,这种方法需要精确地已知成像模型的先验知识。然而,系统中不可避免存在的相位误差,会导致成像模型失配,严重影响成像性能。为了解决这一问题,该文首次建立了存在相位误差时的涡旋雷达成像模型。同时,提出了一种涡旋雷达两步自校正成像方法,用于直接估计相位误差。首先在第1步中提出了一种稀疏驱动算法来促进目标稀疏性,同时提升成像重构性能。其次,在第2步中提出了一种直接补偿相位误差的自校正操作。该方法通过对目标重构和相位误差估计的交替迭代,能够很好地重建目标并有效地补偿相位误差。仿真结果表明,该方法在提高成像质量和改善相位误差估计性能方面具有潜在的优势。

基于轨道角动量(OAM)的涡旋雷达因其在高分辨率成像方面具有巨大潜力而受到广泛关注。有限OAM模式下的涡旋雷达高分辨率成像问题,通常采用稀疏恢复的方法来解决,这种方法需要精确地已知成像模型的先验知识。然而,系统中不可避免存在的相位误差,会导致成像模型失配,严重影响成像性能。为了解决这一问题,该文首次建立了存在相位误差时的涡旋雷达成像模型。同时,提出了一种涡旋雷达两步自校正成像方法,用于直接估计相位误差。首先在第1步中提出了一种稀疏驱动算法来促进目标稀疏性,同时提升成像重构性能。其次,在第2步中提出了一种直接补偿相位误差的自校正操作。该方法通过对目标重构和相位误差估计的交替迭代,能够很好地重建目标并有效地补偿相位误差。仿真结果表明,该方法在提高成像质量和改善相位误差估计性能方面具有潜在的优势。

在逆合成孔径雷达(ISAR)成像体制下,当太赫兹雷达发射带宽信号且波形为涡旋电磁波时,利用涡旋电磁波形成的差异性辐射场和雷达与目标相对运动形成的合成孔径,通过方位俯仰的信息解耦最终可实现目标高分辨三维成像。因此,该文建立了基于电磁涡旋ISAR的目标三维成像模型,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习(SBL)的图像重建方法和分区域幅度阈值设置方法,极大地简化了成像过程,减少了计算量。仿真结果表明,相比传统的基于快速傅里叶变换的成像方法,该文提出的SBL方法可以获得更高的成像分辨率,且重构性能随信噪比的增大而提升。 在逆合成孔径雷达(ISAR)成像体制下,当太赫兹雷达发射带宽信号且波形为涡旋电磁波时,利用涡旋电磁波形成的差异性辐射场和雷达与目标相对运动形成的合成孔径,通过方位俯仰的信息解耦最终可实现目标高分辨三维成像。因此,该文建立了基于电磁涡旋ISAR的目标三维成像模型,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习(SBL)的图像重建方法和分区域幅度阈值设置方法,极大地简化了成像过程,减少了计算量。仿真结果表明,相比传统的基于快速傅里叶变换的成像方法,该文提出的SBL方法可以获得更高的成像分辨率,且重构性能随信噪比的增大而提升。
涡旋雷达探测
依据多普勒效应,传统雷达可以实现对运动目标探测,但是在对旋转目标的角向运动趋势感知存在检测盲区。涡旋电磁波的旋转多普勒效应的发现,因有助于解决直视下的旋转目标的角向运动趋势感知问题,引起了国内外研究人员的广泛关注。该文主要介绍了近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展,特别是微波波段的相关研究成果,包括目标在准轴和非准轴状况下的旋转多普勒效应研究,复杂运动条件下的径向多普勒、微多普勒和旋转多普勒效应的解耦合研究,以及旋转多普勒效应在雷达成像和测速中的应用研究。同时,该文也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。 依据多普勒效应,传统雷达可以实现对运动目标探测,但是在对旋转目标的角向运动趋势感知存在检测盲区。涡旋电磁波的旋转多普勒效应的发现,因有助于解决直视下的旋转目标的角向运动趋势感知问题,引起了国内外研究人员的广泛关注。该文主要介绍了近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展,特别是微波波段的相关研究成果,包括目标在准轴和非准轴状况下的旋转多普勒效应研究,复杂运动条件下的径向多普勒、微多普勒和旋转多普勒效应的解耦合研究,以及旋转多普勒效应在雷达成像和测速中的应用研究。同时,该文也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。
涡旋电磁波具有独特螺旋状波前结构,其受目标横向微动调制产生的旋转多普勒效应,有望为雷达目标探测技术的发展提供一个新途径。在涡旋电磁波照射下,利用锥体微动对回波瞬时频率的周期性调制特性,可以有效反演出锥体目标的微动参数和几何特征。该文重点研究了雷达前视条件下的锥体目标参数估计。首先,基于涡旋电磁波雷达目标旋转多普勒探测原理,推导了涡旋电磁波锥体目标回波数学方程,建立了锥体目标回波旋转多普勒模型。其次,提出了前视条件下的锥体目标参数估计方法,利用锥顶散射点和锥底散射点两维的旋转多普勒信息,可以对锥体目标微动参数和几何特征参数进行有效估计,仿真结果验证了该文所提方法的有效性及抗噪声鲁棒性。 涡旋电磁波具有独特螺旋状波前结构,其受目标横向微动调制产生的旋转多普勒效应,有望为雷达目标探测技术的发展提供一个新途径。在涡旋电磁波照射下,利用锥体微动对回波瞬时频率的周期性调制特性,可以有效反演出锥体目标的微动参数和几何特征。该文重点研究了雷达前视条件下的锥体目标参数估计。首先,基于涡旋电磁波雷达目标旋转多普勒探测原理,推导了涡旋电磁波锥体目标回波数学方程,建立了锥体目标回波旋转多普勒模型。其次,提出了前视条件下的锥体目标参数估计方法,利用锥顶散射点和锥底散射点两维的旋转多普勒信息,可以对锥体目标微动参数和几何特征参数进行有效估计,仿真结果验证了该文所提方法的有效性及抗噪声鲁棒性。
电磁波轨道角动量(OAM)量子态指构成电磁波的每个电磁波量子均具有OAM,是涡旋电磁波的重要形态之一。在微波波段,这种电磁波量子称为“涡旋微波量子”。涡旋微波量子与传统平面波微波量子具有不同的物理特性,针对传统吸波材料具有强反射系数,造成雷达散射截面积(RCS)增加,并提升目标回波的接收信号功率和检测概率,是对抗基于吸波材料的隐身目标之利器。该文提出了基于OAM量子态的涡旋微波量子雷达,给出了基本物理架构和数学模型,借助量子电动力学(QED)从理论上分析了涡旋微波量子的高回波功率特性,并通过实验验证了理论分析的正确性。在收发端均采用相同极化方式下,与传统平面波雷达相比实验中回波功率提高约9 dB。同时,配合典型雷达工作参数进行了仿真,明确了涡旋微波量子雷达在接收功率和检测概率等性能指标上的提升,进一步展现了涡旋微波量子针对吸波材料的反隐身能力。 电磁波轨道角动量(OAM)量子态指构成电磁波的每个电磁波量子均具有OAM,是涡旋电磁波的重要形态之一。在微波波段,这种电磁波量子称为“涡旋微波量子”。涡旋微波量子与传统平面波微波量子具有不同的物理特性,针对传统吸波材料具有强反射系数,造成雷达散射截面积(RCS)增加,并提升目标回波的接收信号功率和检测概率,是对抗基于吸波材料的隐身目标之利器。该文提出了基于OAM量子态的涡旋微波量子雷达,给出了基本物理架构和数学模型,借助量子电动力学(QED)从理论上分析了涡旋微波量子的高回波功率特性,并通过实验验证了理论分析的正确性。在收发端均采用相同极化方式下,与传统平面波雷达相比实验中回波功率提高约9 dB。同时,配合典型雷达工作参数进行了仿真,明确了涡旋微波量子雷达在接收功率和检测概率等性能指标上的提升,进一步展现了涡旋微波量子针对吸波材料的反隐身能力。
高效率目标探测需要借助探测信号的低相关性空间调制,调制数量大且具有时间独立性。携带轨道角动量(OAM)的涡旋波束具有无穷多种模态且不同模态之间相互正交,借助强色散材料可以实现频率域的多模态OAM波束产生。该文首先对OAM的传播特性进行推导,给出了符合探测需求的多模态OAM波束源特征;在此基础上,研究了不同模态的OAM波束在3种不同应用场景下目标反射回波信号特性,采用卷积神经网络对不同反射场景下的数据特征进行提取,实现了对未知场景的判断及场景内的目标识别,并进行了抗噪性能分析。实验结果表明:理想状态下,网络对目标场景判断的准确率可达\begin{document}$97.5\% $\end{document};各反射场景中的两个相邻目标的间隔大于某一阈值时,网络对目标位置的识别准确率均高于\begin{document}$80\% $\end{document}。但目标识别效果有环境依赖性,当\begin{document}${\rm{SNR}} < 20\;{\rm{dB}}$\end{document}时,3种场景内的目标识别准确率均大幅降低。 高效率目标探测需要借助探测信号的低相关性空间调制,调制数量大且具有时间独立性。携带轨道角动量(OAM)的涡旋波束具有无穷多种模态且不同模态之间相互正交,借助强色散材料可以实现频率域的多模态OAM波束产生。该文首先对OAM的传播特性进行推导,给出了符合探测需求的多模态OAM波束源特征;在此基础上,研究了不同模态的OAM波束在3种不同应用场景下目标反射回波信号特性,采用卷积神经网络对不同反射场景下的数据特征进行提取,实现了对未知场景的判断及场景内的目标识别,并进行了抗噪性能分析。实验结果表明:理想状态下,网络对目标场景判断的准确率可达\begin{document}$97.5\% $\end{document};各反射场景中的两个相邻目标的间隔大于某一阈值时,网络对目标位置的识别准确率均高于\begin{document}$80\% $\end{document}。但目标识别效果有环境依赖性,当\begin{document}${\rm{SNR}} < 20\;{\rm{dB}}$\end{document}时,3种场景内的目标识别准确率均大幅降低。
鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量(OAM)在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力。该文主要从涡旋电磁波空间电磁场分布的角度以及OAM模态正交性保持的角度,重点对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态的抗干扰性能进行分析。在C波段分别设计了不同的平面阵列天线用来产生和接收携带有OAM模态为\begin{document}$\ell = + 1$\end{document}\begin{document}$\ell = - 2$\end{document}的涡旋电磁波束,并建立起涡旋电磁波的射频收发链路。通过引入一个喇叭天线作为干扰源,以相应涡旋电磁波束的OAM模态谱分布以及OAM模态正交性作为主要的分析依据,在不同干扰场景下抗干扰性对涡旋电磁波的收发射频链路的OAM模态性能进行仿真和分析。该文对设计的天线模型进行加工和测试,对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态抗干扰性能的分析,可以为涡旋电磁波在无线通信及雷达探测与成像等有关研究领域提供一些前瞻性的探索和设计上的指导。 鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量(OAM)在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力。该文主要从涡旋电磁波空间电磁场分布的角度以及OAM模态正交性保持的角度,重点对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态的抗干扰性能进行分析。在C波段分别设计了不同的平面阵列天线用来产生和接收携带有OAM模态为\begin{document}$\ell = + 1$\end{document}\begin{document}$\ell = - 2$\end{document}的涡旋电磁波束,并建立起涡旋电磁波的射频收发链路。通过引入一个喇叭天线作为干扰源,以相应涡旋电磁波束的OAM模态谱分布以及OAM模态正交性作为主要的分析依据,在不同干扰场景下抗干扰性对涡旋电磁波的收发射频链路的OAM模态性能进行仿真和分析。该文对设计的天线模型进行加工和测试,对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态抗干扰性能的分析,可以为涡旋电磁波在无线通信及雷达探测与成像等有关研究领域提供一些前瞻性的探索和设计上的指导。
涡旋雷达天线
太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统通信容量及成像系统的分辨率,如何有效地产生这种波束成为近期研究热点之一。为了克服传统方式的缺点,该文设计加工了5个工作在太赫兹频段的反射型超表面,它们可以产生±1、±2和3共5个不同模态的涡旋波束。为了避免馈源对涡旋波束的遮挡,通过平面反射阵原理控制了波束的偏转方向。超表面单元为3层结构,其中,上层为金属结构,控制上层结构中8个枝节的长度,可以在基本不改变超表面单元反射系数的情况下,调整它的反射相位。中间层为介质层,为了使超表面单元有较高的反射系数,介质层下方为一金属地。超表面单元仿真显示,其同极化反射率在90%以上,相位分布也满足超表面设计需求。超表面的仿真及测试结果表明,在340 GHz附近,不同超表面在设计的方向上产生了对应模态的涡旋波束,并且涡旋波束中的主模态能量占比最高。 太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统通信容量及成像系统的分辨率,如何有效地产生这种波束成为近期研究热点之一。为了克服传统方式的缺点,该文设计加工了5个工作在太赫兹频段的反射型超表面,它们可以产生±1、±2和3共5个不同模态的涡旋波束。为了避免馈源对涡旋波束的遮挡,通过平面反射阵原理控制了波束的偏转方向。超表面单元为3层结构,其中,上层为金属结构,控制上层结构中8个枝节的长度,可以在基本不改变超表面单元反射系数的情况下,调整它的反射相位。中间层为介质层,为了使超表面单元有较高的反射系数,介质层下方为一金属地。超表面单元仿真显示,其同极化反射率在90%以上,相位分布也满足超表面设计需求。超表面的仿真及测试结果表明,在340 GHz附近,不同超表面在设计的方向上产生了对应模态的涡旋波束,并且涡旋波束中的主模态能量占比最高。