分类：电子论文 时间：2021-10-19 热度：209
摘要：本文根据涡旋电磁波的基本理论对其性质进行了仿真分析;基于均匀圆形阵列模型验证了平方贝塞尔函数在俯仰角的混叠特性;将线性多普勒、旋转多普勒以及微多普勒的原理以及性质进行比较，以展示涡旋探测的优缺点;归纳了近几年涡旋电磁波在多普勒探测方面的研究进展，仿真验证了检测能力;同时，总结了在旋转多普勒和微多普勒探测中面临的关键难题，并指出进一步研究的方向。
关键词：涡旋电磁波;轨道角动量;雷达探测;旋转多普勒;微多普勒
0引言
作为一种在全时段、全天候、远距离条件下的信息获取手段[1]，雷达探测技术利用与物体之间相对运动引起的多普勒变化，获取方位向的高分辨率信息。
但传统的雷达探测主要还是基于距离与多普勒效应的关系获取物体状态，对于在与波束传播轴垂直平面上运动的物体或是与雷达缺乏相对运动的物体，则不能有效发挥作用。
直至20世纪90年代，人们发现了经过轨道角动量调制产生的电磁涡旋波，其在空间上具有螺旋状的波前相位结构[2]和周向波矢，在对物体照射时能够产生更多的差异性目标信息。因此基于涡旋电磁波的雷达系统可以克服传统技术上的缺陷，具有不依赖于物体运动位置和状态的探测能力。同时，根据回波中的多普勒频移信息还能够精确测量物体的角速度，在未来的雷达探测与成像领域具有极大的应用潜力。1涡旋电磁波简介1.1涡旋电磁波产生：轨道角动量(OAM)是电磁波具有的基本物理量，其与自旋角动量(SAM)共同构成电磁波的角动量(AM)。通过式1可以发现，对平面电磁波进行空间相位调制，如添加旋转相位因子exp()ilj[3]，即可产生携带轨道角动量的涡旋电磁波。
如图3是对拉盖尔高斯光束的不同模态涡旋电磁波的仿真。对于远距离目标探测时，由于波束发散特性，只有很小部分的涡旋波对其实现照射。因此，可以利用不同模态的叠加，得到所需的辐射强度和相位分布[6]。
2多普勒效应
2.1线性、旋转以及微多普勒效应
1.线性多普勒效应
线性多普勒效应已被广泛用于测量波束传播方向上运动物体的速度，但对于传统雷达系统，当传输径向上无多普勒分量或多普勒频率偏移较小时，则不能有效的获取目标物体的状态信息。
2.旋转多普勒及微多普勒效应
随着电磁涡旋波的发现，传统雷达探测的瓶颈问题得到了有效解决。如图7b所示，电磁涡旋波照射绕轴旋转的物体时，由于动量和波束中心轴之间存在夹角，因而可以产生旋转多普勒效应，使得涡旋雷达对于无相对运动的物体也能够进行探测[10]。
此外，目标物体在整体运动的同时，各个部件之间的相对运动以及部件的振动或转动，例如直升机，带有旋转部件的船只和喷气机[11]，这些运动方式都会引起电磁波的散射特征，而这些运动特征是目标独有的，可用于精确的目标识别。但随着目标伪装、特征控制技术的发展，传统雷达探测技术获取信息的难度越来越大，因此新型探测技术的出现，显得愈发重要。
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从式中可以发现，信号频率偏移的主峰出现在LW/2p处，这是由于旋转多普勒效应引起的;在距离主峰nW/2p处存在受m-D效应影响，产生多个副峰。同时由式(7)看出涡旋波频率对于旋转多普勒频移大小没有直接影响作用。上述分析过程，可通过使用UCA天线在不同频率下产生相同模态的涡旋波对运动物体照射进行验证[13];而低频率涡旋波可以产生较小的线性多普勒，这对于辨别和分离旋转多普勒频移有一定益处，值得下一步研究。
2.2涡旋探测技术研究
涡旋探测技术研究发展如图7所示。2016年，ZHAOM等[14]利用UCA生成了拓扑荷数为1的涡旋电磁波对多普勒效应进行了仿真，但由于使用的模态较少，因而对于旋转多普勒频偏和微多普勒频偏无法进行区分。
2017年，程永强等[15]提出了一种基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法，对于接收到的回波信号可通过以下两种方式得到频率偏移：a.将发射信号与接收的回波进行相参混频;b.测量一段时间内的相位变化量，对时间求导后与发射信号频率相减。建立了多普勒频率偏移与角速度之间的关系，为基于涡旋电磁波的目标识别的各类应用技术研究提供了理论指导。
同年，郑佳瑜等[16]提出了一种新的多普勒频移求解方法，以三叶风扇为待测目标，利用环形行波缝隙天线产生轨道角动量波束进行照射，通过扇叶上的金属胶带进行强反射，将不同模态接收到的信号频域图像进行对比，得出所求的频移。
通过对图像的观察可以发现，随着模态数的增大，频谱主峰的频率偏移量也在增大，且二者成正比关系。因此，利用该方法可以获得对物体角速度的测量。但实验频谱图中，除主峰外，存在大量由微多普勒效应引起的副峰，会影响测量精度，需要进一步修正。
在郑的基础上，2018年，TingGong等[17]将发射信号的OAM谱和回波信号的实测频谱进行了对比，区分出由线性多普勒和旋转多普勒频率频移，因此可基于频谱变化同时测量出目标的平移速度和角速度，为遥感中的运动和旋转目标检测提供一种有效的途径。但对于旋转目标运动状态假设的过于简单，利用的是以模态0作为主模态的涡旋波，因而得到的频谱图像过于理想。接下来可以将不同距离下目标处的回波频谱和涡旋波模态分布作为研究的内容。
从仿真图像来看，该模型能够较为准确的地测量出旋转物体的位置信息及运动状态。随着倾斜角和旋转速度的变大，由多普勒效应引起的回波信号的频率偏移的范围也在增大。接下来应主要将多运动轨迹物体的旋转多普勒频移和微多普勒频移作为进一步研究的重点内容。此外，在利用旋转多普勒效应获得高分辨率图像的同时，由目标的旋转部分引起的微多普勒效应会严重影响图像的质量，增大分析难度，因而如何消除该效应已引起了高度关注。
2020年，LiHongzhi等[22]使用了一种基于Radon-Laplace的新颖算法以消除旋转部件带来的m-D效应。接收到的回波是旋转多普勒和微多普勒信号两部分的混叠，利用滤波器滤除微多普勒成分，保留有用信号。通过图13的对比可以看出，经过处理后的信号，由m-D效应带来的影响已经得到了很好的消除，因此验证了该算法的有用性和鲁棒性。
3小结
随着对基于涡旋电磁波的雷达探测技术的进一步分析和研究，涡旋波凭借其特殊性质显示出巨大的发展潜力，越来越成为国内外相关领域专家研究的热点，除本文中提到的领域外，在光操控、空间目标识别和近距离人体目标识别等领域[11]也已取得了突破性的发展。结合上文所述，对于涡旋波探测技术的发展做出以下讨论：
1)目前多数对于雷达成像的仿真实验以及算法都只假设了理想点或在理想环境下进行了研究，同时没有考虑涡旋电磁波的发散特性，当实际环境中存在外界干扰时，如复杂的电磁环境、多径效应等影响时，会对分时发送的不同模态涡旋波造成更大的影响。因此，如何有效的降低干扰因子对测量的影响以及从回波中提取有效的目标信息都是接下来需要关注的重点内容。
2)在利用涡旋电磁波对旋转目标探测时，产生的线性多普勒频移、旋转多普勒频移以及微多普勒频移是混叠在一起的，因此，在许多复杂环境下如何降低回波信号的分析难度，区分出三种偏移量，利用微多普勒效应产生的特征甄别不同物体，辨别出目标的型号、种类等，这些都可以在接下来的研究中利用机器学习的思想建立数据库，通过比较迅速识别。
3)目前对于旋转目标探测的研究主要针对于低速、匀速运动的物体，尚未考虑复杂运动状态下的情况，如对非均匀转速下的旋转目标检测、处于空中悬停状态下的检测等，这些方面的研究尚处于空白状态，相关理论研究亟待发展。——论文作者：卜立君，谢文宣，周余昂，朱永忠
文章名称：基于涡旋电磁波的多普勒技术研究进展
