【最新成果】涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展

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前言

传统雷达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，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。合肥工业大学郭忠义教授团队对近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展进行了综述，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，并对该领域亟待解决的问题进行了总结分析、对未来的研究方向及相关应用进行了展望。

背景介绍

雷达探测受云、雾和雨的干扰因素较小，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展 (如气象预报、资源探测、环境监测等) 和科学研究 (天体研究、大气物理、电离层结构等研究)。传统雷达通过发射固定频率的电磁波对空扫描，如遇到活动目标，会产生多普勒频移，根据频移的大小及信号时间差可测出目标对雷达的径向相对运动速度及目标距离。然而，当目标的速度矢量方向和电磁波的波矢方向垂直时，该多普勒频移分量将难以从回波信号中提取出来，使得传统雷达对目标运动探测存在盲区。涡旋电磁波旋转多普勒效应的发现，有助于雷达精确获取目标的角向运动信息，提高雷达系统的目标探测性能。

涡旋电磁波由于携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)，其电场存在空间相位因子exp(jlφ)，波前为螺旋结构。当携带轨道角动量的涡旋电磁波垂直入射到旋转物体表面时，其散射波会产生相应的多普勒效应，称为旋转多普勒效应。2013年，英国格拉斯哥大学Lavery等人通过分析旋转物体散射光的轨道角动量，观察到与物体的旋转速度和光的轨道角动量的乘积成正比的频移，并根据径向多普勒效应推导出涡旋光的旋转多普勒效应，两种多普勒效应示意图如图1所示。在微波波段，涡旋电磁波具有和涡旋光波相同的旋转多普勒效应，目标的角向运动会对其回波信号进行调制，从而产生旋转多普勒频移，因此，涡旋电磁波雷达不仅可以探测目标的径向运动，还能获得目标的角向运动信息（角速度、角加速度等）。同时，采用较大OAM模式数的涡旋电磁波，有利于放大目标微小旋转运动产生的旋转多普勒频移，从而实现涡旋电磁波雷达对目标旋转角速度的精确探测。

图1 多普勒效应示意图

该工作拟发表在《雷达学报》2021年第5期“涡旋雷达理论及应用系统”专题论文“涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展”（郭忠义, 汪彦哲, 王运来, 郭凯），现已网络优先出版。

论文介绍

首先，论文介绍了准轴情况下的旋转多普勒效应研究进展，当旋转目标的旋转中心与涡旋电磁波的波束中心对准且旋转速度与波束入射方向垂直时（即准轴），回波信号形式较为理想，目标的旋转多普勒频移可以准确地检测出来。如图2所示，在20 GHz采用4阵元的圆形阵列天线产生l=+1的涡旋电磁波，利用相位积累的方法来放大相位差，成功测量出匀速旋转金属圆盘的旋转多普勒频移。此外，利用频谱法或时频分析法可以得到回波信号的瞬时频率变化，有利于提高旋转速度检测的时效性。

  图2 相位积累法检测准轴情况下匀速旋转金属圆盘的旋转多普勒频移

接着，论文介绍了非准轴情况下的目标旋转多普勒效应研究。当目标的旋转轴方向与涡旋雷达径向存在偏移时，回波信号会产生复杂的多普勒调制，造成多普勒频谱的展宽，使用高阶OAM有利于分辨出真实的旋转多普勒频移。对于任意空间位置处的旋转目标探测，可以先对回波信号进行径向多普勒处理，接着利用骨架提取算法从时频信息中分离出旋转多普勒频移，最后通过霍夫变换得到旋转目标的旋转半径、偏转角等参数，该估计方法流程图如图3所示。

  图3 任意空间位置处的旋转目标参数估计方法流程图

而后，论文介绍了多普勒效应解耦合技术。在实际运动目标检测中，物体存在平动、转动、微动等复杂的运动状态，相应的会产生径向多普勒、旋转多普勒和微多普勒效应。目前，可以通过发送不同OAM模式的涡旋电磁波，利用频谱法和时频分析法获得不同回波信号的频率差，从而消去与拓扑荷数无关的径向多普勒频移，实现对旋转多普勒和径向多普勒的解耦合。此外，使用高阶OAM涡旋波，有利于区分微动带来的微多普勒频移和旋转多普勒频移，从而减小寄生微多普勒带来的旋转速度检测误差，如图4所示。

图4 利用高阶OAM对旋转多普勒和微多普勒解耦合

最后，论文介绍了基于旋转多普勒效应的雷达应用研究。如图5所示，提出了一种基于旋转多普勒运动补偿的旋转目标成像方案，首先设计不同OAM模式信号检测目标的旋转速度，之后，根据采集到的旋转多普勒频移对回波信号进行多普勒运动补偿和相位校正，最后利用FFT或PSD在拓扑荷域实现对旋转目标的方位向重构。在雷达目标检测系统中，使用高阶OAM涡旋波和脉冲积累有利于提高角速度分辨率，实现对微弱旋转目标的精确探测。此外，在雷达系统中设计多普勒隐身斗篷来产生与径向多普勒频移相反的旋转多普勒频移，可以实现目标在多普勒雷达上的“隐身”。

图5 基于旋转多普勒运动补偿的旋转目标成像方案

此外，论文针对目前微波波段的旋转多普勒效应研究中存在的问题进行了分析，并提出一些潜在的解决方法，包括优化天线结构来产生高纯度、较大模式数和较小发散角的涡旋电磁波，采用波束整形等波束调控方法来实现涡旋电磁波的可控波束传输，以及研究运动状态更加复杂目标的多普勒效应和优化涡旋电磁波雷达探测模型和方法。相信未来随着研究人员对涡旋电磁波旋转多普勒效应研究的日益深入和成熟，其在雷达目标检测、雷达成像等领域将发挥更加重要的作用和价值。

作者介绍

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。

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。

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。

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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编辑：谭大宁 张华霞

审核：于青 贾守新 

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