一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113820683A(43)申请公布日2021.12.21(21)申请号202111170131.0(22)申请日2021.10.08(71)申请人中国人民解放军空军工程大学地址710051陕西省西安市灞桥区长乐东路甲字一号(72)发明人梁佳张群罗迎齐子森李开明王聃倪嘉成袁航(74)专利代理机构北京挺立专利事务所(普通合伙)11265代理人蔡宗慧(51)Int.Cl.G01S7/41(2006.01)G01S13/90(2006.01)权利要求书3页说明书6页附图3页(54)发明名称一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法(57)摘要本发明一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，采用均匀圆环阵列结合多信号分类方法，构建了回波信号方位角与俯仰角的二维成像模型，实现了球坐标下的目标二维成像，同时针对MUSIC算法需目标个数已知及二维空域搜索较慢的问题，提出了实值最小模算法(RV‑MNM)，可在信源个数未知的情况下，实现对目标的二维成像，并在实值化计算下运算效率提高约为30％。CN113820683ACN113820683A权利要求书1/3页1.一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，包括下列步骤：步骤一：构建回波信号模型；步骤二：由阵列接收的回波数据得到其协方差矩阵R；步骤三：求解R的实部Re[X]或虚部Im[X]；步骤四：对Re[X]或Im[X]进行特征分解；步骤五：提取Re[X]或Im[X]的最小模的特征值；步骤六：确定信号子空间US和噪声子空间UN；步骤七：根据MNM算法进行二维空间谱峰搜索并找出极大点对应的方位角和俯仰角。2.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：所述的步骤一具体包括下述步骤：构建回波信号模型：其中，M为理想散射点个数，rm、θm分别为第m个散射点在球坐标下距离原点的距离、方位角和俯仰角，σm为第m个散射点的雷达截面积，α为模式数，t为快时间，k为波数，j为虚部，J(·)为第一类贝塞尔函数，s(t)为发射信号，n(α,t)为噪声信号。3.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：所述的步骤二具体包括下述步骤：对比MUSIC算法模型，当模式数α的取值范围为[0,N‑1]时，公式(1)可以表示为：其中A∈CN×M为导向矢量，S∈CM×L为回波信号矢量，其中第i个信号所对应的导向矢量和回波信号矢量分别为Si(t)，L为回波信号采样点数，N为历经的模式数；假设噪声干扰为高斯白噪声，不同模式数下的回波信号的协方差矩阵可以表示为：H2R＝ARSA+σI(5)其中A为导向矢量矩阵；RS为信号的协方差矩阵，I为单位矩阵，σ为噪声能量；考虑实际接收数据矩阵的长度，我们也可以将协方差矩阵R表示为：2CN113820683A权利要求书2/3页其中X为接收到的所有数据，一般情况下所接收到的回波数据为复数，我们用实部和虚部来表示回波数据X，则公式(6)可以表示为：式中，j为虚部，Re[X]为实部，Im[X]为虚部。4.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：所述的步骤三具体包括下述步骤：由此可将协方差矩阵实部，即R‑AOCM和协方差矩阵虚部，即I‑AOCM表示为：5.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：所述的步骤四具体包括下述步骤：从公式(7)中我们可以看出，X为所接收到所有回波数据，这些信息就分别存储在了Re[X]和Im[X]中；再通过公式(10)、(11)在二维空域进行谱峰搜索；其中UN为Re[X]或Im[X]进行特征分解得到的噪声子空间特征矢量矩阵，为信号子空间的导向矢量。6.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：采用加权MUSIC算法中的最小模MNM算法，最小模MNM算法利用协方差矩阵R中最小特征量，重构目标的二维角信息，已知加权MUSIC算法可以表示为：TT当公式(12)中W＝e1e1时，其中e1＝[1,0,…0]，公式(10)可以化简为：其中c为噪声子空间UN的第一行，EN为噪声子空间UN除c外的其余M‑1行。3CN113820683A权利要求书3/3页7.如权利要求1所述基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，其特征在于：所述的步骤七的MNM算法为：4CN113820683A说明书1/6页一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法技术领域[0001]本发明涉及信号与信息处理技术，具体涉及一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法。背景技术[0002]在现代无线通信系统中，轨道角动量被广泛应用于光学成像、微观粒子及无线通信领域，可以通过分析轨道角度量的模式数与方位角变量之间的近似对偶关系，揭示了电磁涡旋对雷达目标方位角的成像潜力，通过