基于频控的涡旋雷达成像方法和装置

技术领域

本申请涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于频控的涡旋雷达成像方法和装置。

背景技术

相控圆形天线阵列是当下最常见的涡旋波生成装置。其对每一个天线阵元所搭载的信号的初始相位进行调节，形成相位梯度，以此来生成所需的特定模式数的涡旋波束。但是，目前现有的主流成像方法都是基于相控圆形天线阵列而实现的，其需要对目标物以不同模式数进行多次照射，且方位角向的成像分辨率与模式的数量正相关，探测中所使用的模式数量越大，分辨率越高。但此方法是使用N个移相器对信号相位进行手动调节以实现模式切换的，这导致了一个明显缺陷：相控天线阵列难以精确调节，不能满足高精度成像的技术要求。涡旋波束的雷达成像的难点在于如何正确生成具有较高模式数的涡旋波，以及如何实现不同模式数涡旋波之间的快速切换，而相控天线阵列很难做到这两点。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种基于频控的涡旋雷达成像方法和装置。

基于上述目的，本申请提供了一种基于频控的涡旋雷达成像方法，包括：

将天线按照预设排列方法排列；

将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；

向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；

对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。

在一种可能的实现方式中，所述将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束，包括：

将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，得到第一信号频率；

基于所述第一信号频率，在不同传输距离和/或不同传输时间生成不同模式数的涡旋电磁波，以生成涡旋波束。

在一种可能的实现方式中，通过下述公式计算所述模式数：

其中，L(t,r)表示模式数，N表示天线个数，Δf表示频偏，t表示传输时间，r表示传输距离，c表示光速。

在一种可能的实现方式中，通过下述公式计算所述第一信号频率：

f

其中，fn表示第n个天线的第一信号频率，f

在一种可能的实现方式中，通过下式计算所述回波信号：

其中，E表示回波信号，M表示目标反射物的数量，σ

在一种可能的实现方式中，所述将天线按照预设排列方法排列，包括：

将天线均匀等距排列为第一形状。

在一种可能的实现方式中，所述第一形状包括：圆形、矩形、多边形或同心圆。

在一种可能的实现方式中，所述频偏小于所述天线的中心频率。

在一种可能的实现方式中，所述对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像，包括：

对所述回波信号进行处理，依赖模式域与方位域之间的对偶关系，得到所述目标反射物的成像。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种基于频控的涡旋雷达成像装置，包括：

排列模块，被配置为将天线按照预设排列方法排列；

频偏模块，被配置为将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；

接收模块，被配置为向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；

成像模块，被配置为对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。

从上面所述可以看出，本申请提供的基于频控的涡旋雷达成像方法和装置，通过将天线按照预设排列方法排列；将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。本申请通过对多路信号的频率调控来代替相位调控，由于各路信号频率不同，因此天线阵列发射的总波束会随着传播时间和距离的变化而在不同的位置与时刻形成模式不同的涡旋波，也就是说用频控圆形阵列生成的涡旋波会随传播时间和传播距离而自动切换其模式。可以免去繁琐的人工操作，降低系统复杂度，并实现微秒级的涡旋模式自动切换。这样，就可以实现高效、快速的雷达成像。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的基于频控的涡旋雷达成像方法流程示意图；

图2为本申请实施例的频控圆形天线阵列结构示意图；

图3为本申请实施例的在同一观测位置，涡旋波束模式随时间变化的变化情况示意图；

图4为本申请实施例的在同一观测时刻，涡旋波束模式随距离变化的变化情况示意图；

图5为本申请实施例的频控圆形阵列下的单点方位角成像示意图；

图6为本申请实施例的频控圆形阵列下的多点方位角成像示意图；

图7为本申请实施例的频控圆形阵列下的多点高度角成像示意图；

图8为本申请实施例的基于频控的涡旋雷达成像装置示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术部分所述，相控圆形天线阵列是当下最常见的涡旋波生成装置。其对每一个天线阵元所搭载的信号的初始相位进行调节，形成相位梯度，以此来生成所需的特定模式数的涡旋波束。但是，目前现有的主流成像方法都是基于相控圆形天线阵列而实现的，其需要对目标物以不同模式数进行多次照射，且方位角向的成像分辨率与模式的数量正相关，探测中所使用的模式数量越大，分辨率越高。但此方法是使用N个移相器对信号相位进行手动调节以实现模式切换的，这导致了一个明显缺陷：相控天线阵列难以精确调节，不能满足高精度成像的技术要求。涡旋波束的雷达成像的难点在于如何正确生成具有较高模式数的涡旋波，以及如何实现不同模式数涡旋波之间的快速切换，而相控天线阵列很难做到这两点。

综合上述考虑，本申请实施例提出一种基于频控的涡旋雷达成像方法，通过将天线按照预设排列方法排列；将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。本申请通过对多路信号的频率调控来代替相位调控，由于各路信号频率不同，因此天线阵列发射的总波束会随着传播时间和距离的变化而在不同的位置与时刻形成模式不同的涡旋波，也就是说用频控圆形阵列生成的涡旋波会随传播时间和传播距离而自动切换其模式。可以免去繁琐的人工操作，降低系统复杂度，并实现微秒级的涡旋模式自动切换。这样，就可以实现高效、快速的雷达成像。

以下，通过具体的实施例来详细说明本申请实施例的技术方案。

参考图1，本申请实施例的基于频控的涡旋雷达成像方法，包括以下步骤：

步骤S101，将天线按照预设排列方法排列；

步骤S102，将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；

步骤S103，向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；

步骤S104，对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。

针对步骤S101，在一些实施例中，所述将天线按照预设排列方法排列，包括：将天线均匀等距排列为第一形状。

在一些实施例中，所述第一形状包括：圆形、矩形、多边形或同心圆。

在本实施例中，将天线均匀等距排列为圆形。

需要注意的是，本申请实施例在对天线阵列进行实际排布的时候，可以将天线排列为矩形、多边形、多层同心圆等任意构型，只需为对应的构型重新设定对应的频偏数值即可。

待将天线按照预设的排列方法排列好后，开始步骤S202，将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束。

在一些实施例中，所述将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束，包括：将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，得到第一信号频率；基于所述第一信号频率，在不同传输距离和/或不同传输时间生成不同模式数的涡旋电磁波，以生成涡旋波束。

在一些实施例中，通过下述公式计算所述第一信号频率：

f

其中，f

需要说明的是，在一些实施例中，所述频偏小于所述天线的中心频率。上述频偏的作用是使各路信号频率围绕中心频率做小幅度变化，以便满足涡旋波生成条件。若频偏过大，将使雷达所发射的总体波束的中心频率产生极大变化，破坏波束形态，扭曲波束指向，导致本装置不能发射涡旋，实现正常工作。在本实施例中，频偏可以自由的设置大小，但频偏需要远小于天线的中心频率，例如当中心频率为10GHz时，频偏可以设置为10MHz-30MHz，或其他数值，一般存在数量级上的差距便可以称之为远小于。

此外，频偏的大小设置还会影响涡旋模式的切换时间以及切换距离，当频偏增大时，涡旋模式的切换时间减小，切换距离增大，若频偏减小时，涡旋模式的切换时间增大，切换距离减小。故通过对频偏进行设置可以适应于不同的雷达成像需求场景，例如：通过增大频差进而减小切换时间，可以实现模式快速切换，在较短时间内用更多的模式进行扫描，这样可以大大提升雷达的成像速度和工作效率，适用于快速成像场景。再例如，对于本装置而言，通过减小频偏进而减小切换距离，可以使得雷达有效范围内的形态完整的涡旋波数量增加，而这会带来更多的有效信息，能够提升有效范围内的雷达精度，这适用于高精度成像场景。

在本申请实施例中，设信号强度为{A

其中，

对于远场，将分母中表示传输距离的

其中

而后将

又因

当N足够大时，上式可化简为：

其中，

在正确生成涡旋波束后，针对步骤S103，向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号。

具体的，使天线阵列对准目标反射物，并用一个天线作为接收天线来接收目标反射的回波信号。

需要注意的是，本申请中的回波信号接收部分，在本实施例中，在发射阵列中心放置了单个天线用于接收回波信号。但类似地，将单个天线放置在临近发射阵列的任意位置；或将多个相同的天线排布为圆形、矩形等规则构型，放置在发射阵列的中心或附近任意位置，都可以实现回波信号的正确接收以及目标的正确探测。

假设存在M个目标物，在一些实施例中，通过下式计算所述回波信号：

其中，E表示回波信号，M表示目标反射物的数量，σ

在采集到回波信号后，针对步骤S104，对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。

在本实施例中，使用快速傅里叶变换(FFT)对信号进行处理，依赖模式域与方位域之间的对偶关系，即可得到目标物的方位角信息，实现雷达成像。

需要注意的事，对于本申请实施例中的图像处理部分，本申请实施例使用快速傅里叶变换法对回波信号进行处理。但采取其他类似的算法，如正交匹配追踪算法(OMP)、多信号分类算法(MUSIC)，或类似的算法以及改进的成像算法等，也同样可以实现目标的正确成像。

参考图2，为本申请实施例的频控圆形天线阵列结构示意图。

图2中左侧为微波源，发出信号后分为N路，波形控制部分会对每一路信号的频率和振幅进行调节，使其满足涡旋波束的数学要求，之后将每一路信号接入一个发射天线，N个发射天线均匀等间距排布为圆形即为频控圆形天线阵列。

参考图3，为本申请实施例的在同一观测位置，涡旋波束模式随时间变化的变化情况示意图。

参考图4，为本申请实施例的在同一观测时刻，涡旋波束模式随距离变化的变化情况示意图。

如图3、4所示，在同一观测位置进行观测，涡旋波束的模式会随时间增大而增大，从-L

参考图5，为本申请实施例的频控圆形阵列下的单点方位角成像示意图。

参考图6，为本申请实施例的频控圆形阵列下的多点方位角成像示意图。

参考图7，为本申请实施例的频控圆形阵列下的多点高度角成像示意图。

如图5、6、7所示，使用频控圆形阵列发射涡旋波束进行成像的方法可以实现对单目标和多目标在方位角维度和高度角维度上的高精度成像。图5中方位角为60°，图6中方位角为-90°和60°，图7中高度角为40°和55°。

通过上述实施例可以看出，本申请实施例所述的基于频控的涡旋雷达成像方法，通过将天线按照预设排列方法排列；将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。当今世界，出于对国防、卫星测绘、海洋探测等多种复杂的远程成像与探测需求，各国都在加紧推进雷达设备以及相关技术的发展。雷达成像的分辨率受限于雷达信号特征与雷达成像算法。现有雷达技术受实际应用场景的限制，其信号带宽不能满足成像分辨率的需求，无法实现凝视成像，成像算法复杂度较高，成像效率较低。本申请使用频控圆形天线阵列生成多模式涡旋波以实现高精度成像。在涡旋电磁波的照射下，探测区域反射的回波信号有显著的空间起伏特性，此回波信号相对于平面波回波信号能够携带更多的目标信息，这使得其能够更加快速准确地定位目标的空间方位，进而大幅度提高成像结果的分辨率。并且，由于射频涡旋波的模式数与频率在两个数学维度上互不冲突，所以其可以在实现高分辨率方位成像的同时借由搭载线性调频信号等信号以实现高精度距离向成像。此外，由于使用频控圆形阵列作为发射装置，本申请通过对多路信号的频率调控来代替相位调控，由于各路信号频率不同，因此天线阵列发射的总波束会随着传播时间和距离的变化而在不同的位置与时刻形成模式不同的涡旋波，也就是说用频控圆形阵列生成的涡旋波会随传播时间和传播距离而自动切换其模式。可以免去繁琐的人工操作，降低系统复杂度，并实现微秒级的涡旋模式自动切换。这样，就可以实现高效、快速的雷达成像。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种基于频控的涡旋雷达成像装置。

参考图8，所述基于频控的涡旋雷达成像装置，包括：

排列模块81，被配置为将天线按照预设排列方法排列；

频偏模块82，被配置为将每一路发射信号附加频偏后搭载至所述天线上，以生成涡旋波束；

接收模块83，被配置为向目标反射物发射所述涡旋波束，并利用接收天线接收经所述目标反射物反射回的回波信号；

成像模块84，被配置为对所述回波信号进行处理，得到所述目标反射物的成像。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的基于频控的涡旋雷达成像方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。