随着现代科学技术不断地发展，人们对雷达成像的分辨率要求也越来越高。而传统雷达成像技术实现高分辨率成像往往依赖于距离多普勒原理，即通过发送宽带的信号实现目标在距离向的高分辨率，并通过雷达与目标之间的相对运动形成较大的虚拟孔径，从而获得目标在横向的高分辨率。然而，当雷达与目标无法进行较大的相对运动，甚至不能发生相对运动时，就无法形成较大的虚拟孔径，从而无法提升雷达的横向分辨率。对于实孔径雷达而言，其横向的分辨率与它的实孔径大小有关，而在实际应用中无法获得巨大的真实孔径，导致实孔径雷达的横向分辨率较低。以上难题限制了雷达成像技术的发展，因此需要寻找新的雷达体制去解决这些难题。电磁波不仅有线动量，还有角动量。而电磁波的角动量又分为自旋角动量(Spin Angular Momentum, SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)。携带有轨道角动量的电磁波在与其传播轴垂直的平面上，强度分布具有类似于“甜甜圈”的结构（如图1），其相位随着方位角发生线性变化。在空间中其相位波前呈现出螺旋状（如图1），因此携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波携带的轨道角动量的模式数等于其相位随着方位角的线性变化率，涡旋电磁波携带的轨道角动量的模式数又被称为拓扑荷数，并且携带有不同拓扑荷数的涡旋电磁波之间相互正交。
(a)相位平面分布 (b)强度平面分布
图1 不同OAM态的涡旋电磁波的相位和强度分布图
涡旋雷达相比于传统雷达的区别在于使用的电磁波是涡旋电磁波，因此涡旋雷达相比于传统雷达在应用于成像时的优缺点也是来源于涡旋电磁波。涡旋电磁波由于在与其传播轴垂直的平面上，其相位随着方位角发生线性变化。因此在使用图2所示的雷达成像模型，使用均匀圆形阵列(Uniform Circular Array, UCA)发送不同模式数的频率步进（Stepped Frequency, SF）的涡旋电磁波，其回波信号将中目标的方位角与使用的涡旋电磁波的模式数和目标的距离与涡旋电磁波的频率均成近似的对偶关系，相应的信号处理流程图如图3所示。
图2 均匀圆形阵列雷达模型
图3 涡旋雷达成像原理图
涡旋雷达成像模型与涡旋雷达的成像效率以及方位向的分辨率息息相关，按照雷达成像的物理过程大致可以分为两个过程。第一个过程为电磁波达到目标；第二个过程为电磁波经过目标散射到达接收天线。因此，根据发送端的电磁波是否为涡旋电磁波和接收端是否使用UCA来接收回波信号可以大致将所有涡旋雷达成像模型分为3种：基于多输入多输出(Multiple-In–Multiple-Out，MIMO)模型的涡旋雷达成像模型（如图4）、基于多输入单输出(Multiple-In–Single-Out，MISO)模型的涡旋雷达成像模型（如图5）和基于单输入多输出(Single-In–Multiple-Out，SIMO)模型的涡旋雷达成像模型（如图6）。
图6 基于SIMO模型的涡旋雷达成像模型
如图4所示，MIMO模型是通过给UCA不同的OAM态的涡旋相位进而产生不同OAM态的涡旋电磁波，然后利用所有阵元接收回波信号，并给这些阵元加上与发送的涡旋电磁波相同OAM态的涡旋相位。基于N阵元的UCA，使用MIMO模型在方位向的分辨率。如图5所示的MISO模型是对MIMO模型的简化，在接收回波时不再使用UCA接收回波信号，而是使用一个位于UCA中心的天线接收回波信号。基于N阵元的UCA，使用MISO模型在方位向的分辨率。比较基于MISO和MIMO模型的成像系统，MIMO模型要在发送端和接收端都给UCA附加上涡旋相位，而MISO模型仅在发送端给UCA附加上涡旋相位，因此基于MIMO模型下发送OAM态为α的涡旋电磁波近似等价于基于MISO模型下发送OAM态为2α的涡旋电磁波，但是也因为这种近似的双倍OAM态，使得近似发送的涡旋电磁波的OAM态为偶数，导致在成像结果上出现假点。如图6所示的基于SIMO模型是利用处于UCA中心的天线发送一个脉冲，然后使用UCA接收回波信号，并给UCA的所有阵元附加上不同OAM态的涡旋相位，实现通过发送一个脉冲等价于在MISO模型中发送多次涡旋电磁波的效果。基于N阵元的UCA，使用SIMO模型在方位向的分辨率。与基于MIMO模型的涡旋雷达成像相比，基于SIMO模型的被动涡旋雷达成像可以近似的等价于在MIMO模型中使发送的涡旋电磁波的OAM态为0，然后改变用来接收的OAM态β，从而达到近似MISO模型的“逆过程”。涡旋雷达凝视成像算法是对接收端接收到回波信号之后的信号处理的手段，通过其利用涡旋电磁波的不同特性，大致可分类为谱估计和稀疏恢复两大类算法。稀疏恢复类的算法虽然能够获得较高的分辨率，但是其要求发送步进频率的涡旋电磁波，这就使得稀疏恢复类算法将带来成像效率的降低和对天线特性要求的增加。而谱估计类的算法可以通过发送线性调频信号和使用基于SIMO模型的涡旋雷达成像模型实现快速成像。涡旋电磁波不仅可以应用在凝视成像的成像场景中，还可以与合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)和逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)技术结合。当涡旋电磁波应用到SAR技术中时，这种发送涡旋电磁波的SAR的横向分辨率相比于传统SAR的横向分辨率有较好地提升。并且当涡旋电磁波应用到传统二维SAR和ISAR的成像模型中时，由于涡旋电磁波的OAM态理论上可以张成一个无穷维的希尔伯特空间，因此还可以实现对目标三维成像。本文首先介绍了涡旋雷达成像的起源、发展历程及其存在的问题；而后，对涡旋电磁波理论基础进行了定性定量的描述，并简要的阐述了涡旋电磁波产生的几种方法及优缺点，及涡旋雷达成像的基本原理；紧接着按照涡旋雷达成像模型、涡旋雷达凝视成像算法和涡旋雷达运动成像3种研究方向综述了涡旋雷达成像技术的发展历程和研究现状，而后在这些研究的基础上对涡旋雷达成像技术今后的发展方向及关键技术进行了总结和展望。郭忠义(1981–)，男，安徽阜南人，合肥工业大学教授、博士生导师。主要研究方向包括涡旋雷达系统、智能传感系统、偏振智能信息处理、先进光通信技术、复杂电磁环境等。发表SCI检索论文200余篇，被国际国内同行正面引用2600余次。
王运来(1999–)，男，安徽铜陵人，在读硕士。2020年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线与涡旋电磁波雷达成像。
汪彦哲(1996–)，男，安徽芜湖人，在读硕士。2019年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线与涡旋电磁波雷达成像。
郭凯(1987–)，男，安徽界首人，合肥工业大学副教授、硕士生导师。主要研究方向包括涡旋雷达系统、偏振智能信息处理、先进光通信技术、纳米光子学等。发表SCI检索论文60余篇，被国际国内同行正面引用800余次。
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