基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法.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CN112731367A(43)申请公布日2021.04.30(21)申请号202011506299.X(22)申请日2020.12.18(71)申请人桂林电子科技大学地址541004广西壮族自治区桂林市七星区金鸡路1号(72)发明人谢跃雷许强刘信蒋平易国顺邓涵方肖潇蒋俊正欧阳缮廖桂生(74)专利代理机构桂林市华杰专利商标事务所有限责任公司45112代理人覃永峰(51)Int.Cl.G01S13/58(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图6页(54)发明名称基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法(57)摘要本发明公开了基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法，其特征是，包括如下步骤：S1建立涡旋电磁波对旋翼目标的回波数学模型；S2回波信号的特征分析；S3分别发射正负模态数的涡旋电磁波，计算回波信号中的总多普勒；S4和差运算；S5改变涡旋电磁波模态数，重复步骤S3、S4；S6整理微多普勒频率和旋转多普勒频率。这种方法能分离出微多普勒频率和旋转多普勒频率，对旋翼目标的探测和识别准确率高。CN112731367ACN112731367A权利要求书1/2页1.一种基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立涡旋电磁波对旋翼目标的回波数学模型：回波数学模型中发射天线为N个等间距排列的相同阵元组成的圆形阵列，圆形阵列半径为a，采用单天线接收，设旋翼目标悬停于空中，旋翼目标的中心坐标为O′(x0，y0，z0)，旋翼上一点P的坐标为其中，r为PO′长度，Ω为旋翼转速，圆形阵列在空间中P点处所产生的电场强度E可表示为如公式(1)所示：其中，在公式(1)中，rp(t)为P点到接收天线的距离，φp(t)为P点的方位角，θp(t)为P点的俯仰角，l为涡旋电磁波模态数，Jl(kasinθp(t))为1阶的第一类贝塞尔函数，在公式(2)中，R表示接收天线与旋翼目标中心的直线距离，θO′表示旋翼中心所在的方位角，设P点处的后向散射系数为σp，则接收天线接收到的回波信号表示为如公式(4)所示：旋翼叶片看作为N个散射点叠加，则涡旋电磁波对旋翼产生总的回波信号表示为如公式(5)所示：公式(5)近似表示为如公式(6)所示：S2：回波信号的特征分析：由公式(6)知，对相位函数进行时间微分即可得到多普勒频率，回波信号相位函数由rn(t)和φn(t)决定，前者产生微多普频率，后者产生旋转多普勒频率，旋转多普勒与轨道角动量模态数有关，发射涡旋电磁波模态数为正时，发射涡旋电磁波回波信号中模态数为负，则发射涡旋电磁波旋转多普勒为负，即对于旋翼目标，发射涡旋电磁波模态数与回波信号模态数互为相反数，单个散射点时，旋翼目标产生的总的多普勒fD2CN112731367A权利要求书2/2页如公式(7)所示：其中，ψ(t)表示相位函数，fm‑D表示微多普勒频率，fr‑D表示旋转多普勒频率；S3：分别发射正负模态数的涡旋电磁波，计算回波信号中的总多普勒：发射模态数为±l的涡旋电磁波，分别接收旋翼目标产生的回波信号，对回波信号进行时频分析，即采用短时傅里叶变换方法，得到回波信号的频率随时间变化的时频谱，计算总的多普勒频率；S4：和差运算：对旋翼目标产生的总的多普勒fD采用和差运算分别得到微多普勒和旋转多普勒如公式(8)所示：S5：改变涡旋电磁波模态数，重复步骤S3)、S4)：其他参数不变，更改涡旋电磁波模态数，再次计算总的多普勒并得到多组微多普勒和旋转多普勒，当发射模态数1为0时，直接获得微多普勒频率；S6：整理微多普勒频率和旋转多普勒频率：对多组微多普勒进行平均处理，不同模态数产生的旋转多普勒不进行平均处理。3CN112731367A说明书1/5页基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法技术领域[0001]本发明涉及电磁涡旋目标探测领域，具体是一种基于涡旋电磁波的旋翼目标特征分析及提取方法。背景技术[0002]无人机属于典型的旋翼目标，且无人机也是典型的“低慢小”目标，由于“低慢小”目标的飞行速度慢，飞行高度低，散射面积小，导致其雷达回波的多普勒平移小，当无人机悬停于空中时其多普勒平移为零，普通雷达根本无法探测。[0003]近年来，人们发现无人机旋翼的转动会产生微多普勒频率，但其产生的微多普勒频率小，其特征提取较难，仅靠微多普勒频率来检测和识别旋翼目标还远远不够。[0004]与传统的平面波相比，携带有轨道角动量的涡旋电磁波具有螺旋的相位波前，涡旋电磁波通过旋翼目标时，会产生旋转多普勒，其旋转多普勒频率与轨道角动量模态有关，理论上，轨道角动量模态数有无穷种，发射不同轨道角动量的涡旋电磁波可获得不同旋转多普勒频率，而旋转多普勒中含有旋翼目标的多种信息，如旋翼转速，旋翼叶