涡旋电磁波及其在雷达中应用研究进展

涡旋电磁波因携带有轨道角动量信息,相比于传统电磁波有着更高维度的信息调制自由度,在雷达目标检测和成像领域具有很大的应用潜力.本文首先介绍了涡旋电磁波基本概念和线极化条件下的辐射场分布特点.然后给出利用涡旋电磁波进行雷达目标成像和旋转目标检测的工作原理,分析总结了其相对于传统雷达探测技术展现出来的性能优势.接着综述了电磁涡旋成像和旋转多普勒检测的发展历程与研究现状,特别地,面向雷达目标探测需求对涡旋电磁波产生技术进行较为全面的总结和概括.最后,展望涡旋电磁波在雷达中应用的发展前景,指出未来发展中的若干关键科学问题.     

基于涡旋电磁波的雷达应用研究进展

携带轨道角动量的涡旋电磁波,相比于传统平面波有着独特的螺旋相位结构与模态正交特性,因而能获取更多信息,在雷达探测中受到广泛关注。轨道角动量调制带来的升维信息为新体制雷达成像提供了条件;另外,利用涡旋电磁波观测到的旋转多普勒效应,可获得平面波难以探测的垂直于距离向的运动信息,弥补了平面波雷达探测的缺陷。文中首先介绍了涡旋电磁波的基本概念、特点及常见的产生方法;然后,介绍了基于均匀圆阵的涡旋电磁波成像基本原理,简单推导了利用涡旋波进行旋转多普勒检测的基本原理,梳理了涡旋波在雷达成像和旋转多普勒检测两个应用领域的研究进展;最后,对未来的研究趋势进行了展望。     

基于改进BP算法的电磁涡旋成像方法

针对现今日益复杂的电磁环境和各种高新技术的涌现,不断出现了一些新概念、新体制雷达,来解决传统雷达成像性能瓶颈等问题。电磁涡旋雷达是近几年提出的一种新型雷达。携带轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波具有特殊的螺旋形相位波前,可以为雷达成像带来更加丰富的自由度,以突破传统雷达成像分辨率限制,实现超高分辨率成像。根据合成孔径雷达(SAR)的特点,研究了电磁涡旋雷达成像的理论基础,重点剖析了电磁涡旋在SAR成像中的应用,建立了多收多发电磁涡旋SAR(EMV-SAR)成像模型,并对传统的反向投影(BP)算法进行了改进,提出了一种适用于涡旋电磁波的新型SAR成像方法。实验结果表明,EMV-SAR系统可以极大地提高方位向成像分辨率,随着OAM模式数的增大分辨率逐步提升,并且混合多模的涡旋电磁波可以有效地解决引入电磁涡旋后方位向旁瓣电平增高的问题。     

涡旋电磁波的理论与应用研究进展

无线电技术因实现对信息的快捷传输而蓬勃发展,时至今日,不断增多的通信业务使得不可再生的频谱资源日益紧缺,通信速率也已趋于香农定理的极限。 涡旋电磁波(简称涡旋波)因携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)而体现出新的自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,在通信领域有望提升频谱效率与通信容量,在雷达成像领域也体现出提高分辨率的潜力,逐渐成为研究热点。 基于此,本文通过调研,概述了涡旋波的理论研究进展;阐述了涡旋波产生、传输、接收等传播链路的研究方法;介绍了涡旋波在无线通信领域与雷达成像领域的应用现状;总结了涡旋波在目前发展中面临的关键问题,并指出其未来研究与发展的方向。     

涡旋电磁波雷达成像分辨力研究

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。      

涡旋微波量子雷达

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。      

涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展

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。      

涡旋电磁波无线通信技术发展综述

由于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),涡旋电磁波具有螺旋相位结构以及不同模态相互正交的空间性质,因此将其应用于无线通信技术领域以提升频谱利用率以及通信容量受到学界关注。介绍了涡旋电磁波的结构以及特殊性质,总结了近几年国内外涡旋电磁波在天线技术的进展并对比了各类天线性能,分析了涡旋电磁波在多输入多输出、复杂环境传输以及模态混叠检测领域的不足与发展态势,指出了未来基于涡旋电磁波无线通信发展的方向以及挑战。     

涡旋电磁波天线技术研究进展

涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。      

涡旋电磁波雷达锥体目标旋转多普勒探测

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。      

涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

The electromagnetic vortex wave has demonstrated excellent research value with potential applications in the fields of wireless communication and radar detection and imaging due to its unusual electromagnetic field distribution and theoretically infinite orthogonal Orbital Angular Momentum (OAM) modes. This study analyzes the anti-interference performance of OAM modes in the electromagnetic vortex Radio Frequency (RF) transceiver link primarily from the perspective of the electromagnetic vortex field distributions in space and the OAM modes orthogonality. Planar antenna arrays are designed to generate the electromagnetic vortex beams with respective OAM modes of and in the C band, and the corresponding RF transceiver links are established. The OAM modes’ anti-interference properties under different interference situations are analyzed in the electromagnetic vortex RF transceiver link by using a horn antenna as the interference source. Meanwhile, the corresponding OAM mode spectrum and the OAM modes’ orthogonality are employed as the primary methods in our analysis. Finally, the designed antenna models are fabricated, and the electromagnetic vortex RF transceiver links are measured. The corresponding analyses and conclusions are presented in this study. The OAM modes’ anti-interference performance analysis in the vortex electromagnetic wave’s RF transceiver link can provide a reference for exploring and designing a vortex electromagnetic wave in wireless communication and radar detection and imaging research.      

基于聚合型涡旋电磁波束的三维SAR成像

合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)能够突破天线孔径对分辨率的限制,因而得到了广泛应用. 本文提出了一种基于聚合型涡旋电磁波束的三维SAR成像方法,通过设计合适的成像几何构型,利用涡旋电磁波的相位特性实现对高度维的分辨,并推导得到高度维分辨率与模式数及雷达参数之间的关系. 考虑到回波信号中引入的涡旋相位项,对后向投影算法进行改进,实现对观测区域的三维成像,并引入稀疏重构算法减少对模式数的需求. 仿真结果表明,利用多模式聚合型涡旋电磁波束能够对分布在不同高度的目标进行准确重构,利用稀疏重构算法能够用少数模式实现高分辨三维成像. 本文提出的方法为新体制雷达成像研究提供了一定的参考.     

低频电磁波建筑物内部结构透视技术研究进展

在进入陌生建筑物内部之前获取其内部结构信息,能够为反恐作战、灾害救援等多种应用提供服务,具有重要的现实意义和研究价值.低频电磁波能够穿透常见建筑物材料传播,进而安全、稳定、隐蔽地获取墙后目标信息.利用低频电磁波获取墙后信息因此成为建筑物内部结构透视领域的研究重点.为获知该领域的发展脉络,并预测未来可能的发展趋势,该文对...     

电磁计算在雷达设计中的应用及需求分析

随着计算电磁学和计算机技术的迅速发展,电磁计算在雷达设计中扮演着举足轻重的角色.本文分析了电磁计算在雷达设计中的应用,包括雷达天线设计、馈线及微波网络设计、天线罩设计以及复杂电磁环境雷达天线性能评估,并介绍了有限元法（finite element method,FEM）、矩量法（method of moment,MoM）和时域有限差分（finite-difference time-domain,FDTD）法三种常用的全波电磁仿真计算方法以及高频近似算法,最后讨论了雷达技术发展对电磁计算的新需求.     

涡旋电磁波在军事无线通信中的应用

涡旋电磁波的OAM复用是一种把量子力学中的轨道角动量理论应用到无线通信领域的新型技术,拥有高效频谱利用和抗干扰两项引人注目的特性。介绍了国内外研究现状,对涡旋电磁波的产生与接收、OAM复用对通信容量的影响、OAM模式的复用和解复用、大气的非均匀性和电离层对涡旋电磁波的影响、涡旋电磁波抗干扰能力等研究热点进行了概括。指出了研究、分析OAM复用和抗干扰性能以及探索有效的OAM通信方法的重要意义。     

基于信息可编码超材料技术的毫米波雷达设计

本文针对可编程信息超材料的研究进展及其在毫米波探测雷达的运用设计,从原理分析、参数仿真、实际运用等多角度介绍了可编程信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力, 着重探讨了可编程信息超材料技术在探测雷达的运用,提出了一种低成本、低功耗、小体积的近程探测雷达设计思路。     

一种改进的基于Stolt迁移的探地雷达三维合成孔径成像方法

stolt迁移实现探地雷达三维合成孔径成像具有实现速度快的优点,但stolt迁移有一显著缺点是它不适用于电磁波波速变化的情形,而在探地雷达的应用中电磁波波速变化是实际存在的。本文提出了一种改进的基于stolt迁移的探地雷达三维合成孔径成像方法,该方法能克服普通方法不适用于电磁波波速变化这一缺点。通过对实测数据进行处理,其结果表明所提方法取得了很好的效果。