一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统技术方案

一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统，涉及基于旋转天线的雷达探测技术领域。所述雷达探测系统包括信号发射子系统、天线子系统和信号接收子系统；该方法通过均匀分布的M个阵子环形天线阵围绕中心旋转，在旋转过程中同时发射脉冲信号，并对这些脉冲信号进行相干积累，从而可在雷达接收端产生等效的高阶模式数轨道角动量电磁波信号；高阶模式数轨道角动量电磁波在目标处可以产生显著的相位梯度，而且不同模式数的轨道角动量电磁波可实现对目标探测的波形分集。再利用该分集接收能力，进一步获得高检测前信噪比，从而能够使雷达对弱小目标的探测能力大幅提升，本发明专利技术中M阵子的机转天线也可用电扫相控阵馈源天线代替，并取得同样效果。

An equivalent electromagnetic orbital angular momentum pulse radar detection method and system

An equivalent electromagnetic orbital angular momentum pulse radar detection method and system relates to the radar detection technology field based on the rotary antenna. The radar detection system comprises a signal transmitting system, antenna subsystem and signal receiving system; the method by M while loop antenna array evenly distributed around the center of rotation, and the transmitted pulse signal in the spinning process, and the pulse signal of coherent accumulation, higher order modes can be produced in the equivalent number of track the radar receiver of the angular momentum of the electromagnetic wave signal; high order mode number of the orbital angular momentum of electromagnetic wave in the target can produce significant phase gradient, and the number of different modes of the orbital angular momentum of electromagnetic wave can achieve the goal of measuring the waveform diversity. Then the diversity reception ability, further to obtain a high SNR, which can make the radar for small target detection ability increased, while M in the invention can also be used to machine the antenna electrical scanning phased array antenna, and achieve the same effect.

【技术实现步骤摘要】
一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统
本专利技术涉及雷达探测
，特别涉及一种旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲探测雷达系统。
技术介绍
随着隐身技术的发展，传统雷达探测体制受到越来越严重的挑战，反隐身技术成为雷达探测中持久的研究热点。目前隐身目标可以将来波方向的雷达散射截面积(RCS)降到10-3m2以下。为了能够反隐身，雷达普遍采用信号处理方法或提高器件水平，进一步提高探测灵敏度，比如：增大天线功率孔径积、扩展雷达工作波段、改变雷达极化特性等。但受限于信号体制和制造工艺，提高的程度有限。一般雷达目标可以分为点目标和扩展目标，其中点目标是指目标的尺寸在一个分辨单元以内。并且点目标可进一步划分为简单目标和复杂目标。简单目标指的是雷达只有一个散射区域，而复杂目标则具有多个散射区域。一般情况下，雷达探测的点目标为复杂目标。由于复杂目标由多个散射区域的回波叠加在一个分辨单元内，构成信号之间的相干性使得RCS随着来波相位面、电磁波频率等因素产生起伏。近年来，电磁波轨道角动量(OAM)作为电磁波新的维度，成为电磁波利用的新手段。OAM电磁波传输领域的研究为雷达探测领域的应用奠定了基础。2007年，Thidé,B等人通过天线阵列的数值仿真验证了低频电磁波(频率低于1GHz)同样可以产生轨道角动量。2010年，MohammadiSM讨论了如何利用圆形天线阵列产生和检测不同的OAM电磁波。详细地分析了天线阵列半径、振子个数、频率等对OAM电磁波辐射图的影响。2015年，国防科大的刘康等提出了采用圆环天线阵来产生OAM波，并在OAM域采用FFT来对目标进行探测成像。同年，Niemiec研究了2.45GHz的OAM波在球面和圆柱上的反射。2016年国防科大的刘明团等采用MUSIC算法来提升OAM雷达的角分辨率。最近研究发现，OAM的螺旋状波前形成特有的相位梯度，对复杂目标照射时，不同OAM模式数的同频电磁波具有不同RCS的发射信号，该物理特性为分集接收创造了条件。分集接收一般分为合并分集(最大比合并和等增益合并)和选择分集。无论哪种分集方式，均需要系统产生较多的分集支路。另一方面，考虑目标尺寸上产生显著相位梯度变化，也需要能够产生高阶OAM的信号。目前的OAM电磁波产生方式主要包括：螺旋相位板法、螺旋反射面法、天线阵法以及衍射光栅法等。这几种方法在产生大规模OAM模式数上面具有相应的局限性。其中的螺旋相位板法、螺旋反射面法以及光栅法受限于器材的加工精度以及尺寸，无法产生大规模OAM模式数。而天线阵法需要两倍于OAM模式数的天线数量，为避免天线之间的耦合性，阵子之间需要保有最小的间距，这样天线的口径就会非常大。因此，目前的方法均不能产生所需的高阶模式的OAM信号。
技术实现思路
针对雷达对隐身目标等弱小目标探测问题，本专利技术的目的是提出一种基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法及系统，即通过旋转天线在不同时刻发射脉冲，并对这些脉冲进行相干积累，在接收端等效获得高阶OAM回波探测效果，再利用分集接收(选择分集或合并分集)，进一步获得高检测前信噪比，从而提高对隐身飞机等弱散射目标的探测能力。本专利技术的技术方案如下:一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)雷达系统的旋转天线是由均匀分布的M个天线阵子构成的环形天线阵，其中M≥1；旋转周期定义为天线阵以原点为中心做匀速逆时针或顺时针旋转弧度，旋转角速度为Ω，则旋转周期为2)旋转装置带动旋转天线进行旋转，在旋转过程中M个天线阵子同时发射脉冲信号，在一个周期内发射N个脉冲，即每一个脉冲是由这M路信号叠加而成；每个天线阵子发射的信号具有以为增量线性增加的相位梯度，其中l为需要电磁波轨道角动量的模式数；3)旋转过程中，每根天线在各个发射点发射的信号相对初始信号也具有线性相移，在时，其中k＝1,2,…,N，第i个天线阵子发射信号的相位为M个天线阵子在一个旋转周期的时间内，发射的所有M×N个信号构成了以为间隔、且相位梯度从0到的信号序列；4)在相邻发射脉冲的时间间隔内，旋转天线接收回波信号，以Tr为脉冲重复周期，并在信号处理器中对M×N个信号序列进行合成；信号合成的过程为：在接收端第一个脉冲的回波时延为(N-1)Tr,第二个为(N-2)Tr，…，第i个为(N-i)Tr,…，第N个无时延，最后再进行相参积累，从而形成一个等效的电磁波轨道角动量信号；5)将电磁波轨道角动量波形集合为Lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，发射的电磁波轨道角动量子集为允许发射的电磁波轨道角动量信号路数为K路，其中lmax为最大电磁波轨道角动量模式数，表示初始时刻第K路所发射的电磁波轨道角动量模式数，且有6)在认知处理器衡量每一路电磁波轨道角动量信号的信噪比，第i路的信噪比为βi,所有K路中最大的信噪比为βmax,第i路信号有的概率改变下一次发射的电磁波轨道角动量模式数，即为下一次发射的波形，从而保持对目标探测的最优状态。上述技术方案中，所述M根天线在一个旋转周期内发射的所有M×N个信号之间构成的相位梯度有两种方法，第一种是给天线配置移相器；第二种是不配置移相器，利用旋转产生的时延来产生所需的相位梯度，此种情况下产生的电磁波轨道角动量的模式数l＝mM，旋转的角速度为Ω需满足ω为电磁波角频率。本专利技术提供的一种实现上述方法的一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测系统，其特征在于：所述雷达探测系统包括：1)信号发射子系统，该信号发射子系统包括用于产生线性调频脉冲信号的信号产生器,以及将该信号经过功率放大后通过天线发射出去的发射机；2)天线子系统,该天线子系统包括用于切换天线的发射状态和接收状态的双工器、旋转天线、对入射的电磁波进行准直的聚束装置以及用于实现天线旋转的旋转装置；3)信号接收子系统，该信号接收子系统包括接收机、信号处理器、数据处理器和认知处理器；其中信号处理器用于对脉冲的相干积累处理得到合成后的脉冲信号；数据处理器用于对合成信号进行检测；所述信号发射子系统中的信号产生器将脉冲信号传入给发射机，发射机将脉冲信号馈入天线子系统，旋转装置带动旋转天线进行匀速圆周运动，在这一旋转模式下发出脉冲信号，双工器在接受状态下，天线子系统接收回波信号，接收的回波信号经过信号接收子系统中的接收机采样、下变频进入信号处理器进行回波积累，然后将回波积累后的信号分别送入数据处理器和认知处理器；数据处理器对回波积累后的信号进行检测；认知处理器则根据当前波形的信噪比采用最优信噪比原则调节信号产生器以及旋转装置，从而产生下一步待发射的最优雷达脉冲信号。优选地，本专利技术所述的旋转天线阵子采用喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线或阵列天线。上述技术方案中，所述的旋转天线采用机械旋转天线或电扫旋转天线，该电扫旋转天线由相控阵天线和环形反射面组成，相控阵天线位于环形反射面的焦平面，相控阵天线发出的波束或波束簇均匀改变扫描方位角，经过反射面反射后形成出射的波束或波束簇，这些出射波束围绕环形反射面中心作匀速圆周运动。本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：通过采用基于旋转天线的等效电磁波轨道角动量雷达探测方法，可以在雷达接收端产生等效的高阶模式数轨道角动量电磁波信号，而传统方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)雷达系统的旋转天线是由均匀分布的M个阵子构成的环形天线阵，其中M≥1；旋转周期定义为天线阵以原点为中心做匀速逆时针或顺时针旋转

【技术特征摘要】
1.一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)雷达系统的旋转天线是由均匀分布的M个阵子构成的环形天线阵，其中M≥1；旋转周期定义为天线阵以原点为中心做匀速逆时针或顺时针旋转弧度，旋转角速度为Ω，则旋转周期为2)旋转装置带动旋转天线进行旋转，在旋转过程中M个天线阵子同时发射脉冲信号，在一个周期内发射N个脉冲，即每一个脉冲是由这M路信号叠加而成；每个天线阵子发射的信号具有以为增量线性增加的相位梯度，其中l为需要电磁波轨道角动量的模式数；3)旋转过程中，每个天线阵子在各个发射点发射的信号相对初始信号也具有线性相移，在时，其中k＝1,2,…,N，第i个天线阵子发射信号的相位为M个天线阵子在一个旋转周期的时间内，发射的所有M×N个信号构成了以为间隔、且相位梯度从0到的信号序列；4)在相邻发射脉冲的时间间隔内，旋转天线接收回波信号，以Tr为脉冲重复周期，并在信号处理器中对M×N个信号序列进行合成；信号合成的过程为：在接收端第一个脉冲的回波时延为(N-1)Tr,第二个为(N-2)Tr，…，第i个为(N-i)Tr,…，第N个无时延，最后再进行相参积累，从而形成一个等效的电磁波轨道角动量信号；5)将电磁波轨道角动量波形集合为Lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，发射的电磁波轨道角动量子集为允许发射的电磁波轨道角动量信号路数为K路，其中lmax为最大电磁波轨道角动量模式数，表示初始时刻第K路所发射的电磁波轨道角动量模式数，且有6)在认知处理器衡量每一路电磁波轨道角动量信号的信噪比，第i路的信噪比为βi,所有K路中最大的信噪比为βmax,第i路信号有的概率改变下一次发射的电磁波轨道角动量模式数，即为下一次发射的波形，从而保持对目标探测的最优状态。2.如权利要求1所述的一种等效电磁波轨道角动量脉冲雷达探测方法，其特征在于：M根天线在一个旋转周期内发射的所有M×N个信号之间构成的相位梯度有两种方法，第一种是给天线配置移相器；第二种是不配置移相器，利用旋转产生的时延来产生所需的相位梯度，此种情况下产生的电磁波轨道角动量的模式数l＝mM，旋转的角速度为Ω需满足ω为电磁波角频率。3.一种实现如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，陈东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11