【最新成果】涡旋微波量子雷达

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前言

随着隐身技术的发展，传统雷达发射平面电磁波照射在隐身目标物体上，由于隐身目标覆盖有吸波材料，雷达往往只能获得较小的回波功率，检测概率低。相比于传统雷达中的平面电磁波（含平面波微波量子），涡旋微波量子由于其独特的传播特性和物理新维度备受学术界关注。清华大学航天航空学院航空宇航电子系统实验室张超教授团队研究发现涡旋微波量子照射在吸波材料上，可以破坏阻抗匹配条件，提高回波功率。在此基础上，提出了一种利用涡旋微波量子进行目标探测的涡旋微波量子雷达系统，针对覆盖了吸波材料的隐身目标，实现有效目标探测。研究工作中借助量子电动力学(QED)给出了涡旋微波量子照射下计算回波功率的数学模型，并通过实验定量地指出相比于平面波微波量子，涡旋微波量子可以获得更大的回波功率，从而达到反吸波材料隐身的目的。雷达系统示意如图1所示（GIF动图）。

图1：面对隐身目标，传统平面波雷达检测概率低，而涡旋微波量子雷达具有较高检测概率

背景介绍

1.  雷达探测与隐身技术：“千里眼”与“隐身衣”的相互博弈

雷达系统作为探测敌方目标的“千里眼”，面对的更多是非配合的目标。从反探测的角度出发，敌方会通过各种手段降低回波功率，从而减小被探测发现的概率，达到隐身的效果。对应于雷达工作参数，雷达散射截面积（Radar Cross Section, RCS）表示雷达眼中目标物体的大小，隐身技术使得敌方目标的RCS降低，彷佛披上一层“隐身衣”，让探测方雷达难以发现。

回波功率与目标物体的形状和材料均有关，因此各种隐身技术可归纳为结构隐身和材料隐身。结构隐身是指通过改变形状、尺寸或样式等结构参数，减小在特定角度上的回波功率；材料隐身是指通过覆盖吸波材料改变目标物体的电磁波的输入特征阻抗，使得电磁波的输入特征阻抗与自由空间阻抗满足匹配条件，尽可能的使得入射电磁波的能量在隐身材料中转换为热能被吸收，从而降低回波功率。由于材料隐身受到目标与雷达之间的角度等影响较小，因此成为隐身技术的重要发展趋势之一。

2.   涡旋电磁波轨道角动量目标探测：从统计态OAM波束到涡旋微波量子

对涡旋微波量子的研究可以追溯到上世纪九十年代的光学领域。1992年，L.Allen等人发现拉盖尔高斯波束中单个光子携带轨道角动量。最近十年，电磁波OAM模态复用在通信传输和雷达探测中的应用被广泛关注并研究，在通信领域，OAM传输技术已作为物理新维度被列为6G潜在核心关键技术（见我国工信部IMT-2030推进组发布的有关6G白皮书）。

宏观上的电磁波在微观上由电磁波量子组成，每一个电磁波量子都有能量、动量、电场强度、磁场强度、OAM和宇称等物理量。其中，OAM被分为外部OAM（Extrinsic OAM）和内禀OAM（Intrinsic OAM）。形象的比喻，如果把地球月球体系看成一个微波量子，地球的自转形成自旋角动量，月球绕着地球的公转形成内禀OAM，地月系统绕着太阳的公转形成外部OAM。

根据物理本质上采用电磁波量子的外部OAM还是内禀OAM，涡旋电磁波分为统计态OAM波束和量子态OAM涡旋微波量子。如图2所示，以微波波段为例，统计态OAM波束由空间中不同相位的平面波微波量子混态组成，一般通过天线阵列或者专用天线产生，其内禀OAM（  ）为零，而外部OAM（  ）不为零，对应图2中的微波量子对传播主轴取距离并与坡印廷矢量叉乘计算结果不为零。在雷达方面，统计态OAM波束（也称为涡旋电磁波束）利用波束的螺旋相位面形成的空间相位梯度，主要应用在雷达成像和反结构隐身方面[1][2]。相比之下，涡旋电磁波另一种形态，量子态OAM波束由含有内禀OAM的电磁波涡旋量子（微波波段称为微波量子，可通过相对论回旋电子辐射产生）组成，其物理量纲（  ）和电场强度的物理量纲（  ）线性无关，因此具有独立的物理新维度。涡旋微波量子的内禀OAM不为零，可以通过波束赋形形成量子态OAM波束（其波束也可以具有一定的外部OAM)。涡旋微波量子在与目标作用时展现出与平面波微波量子迥异的特性，在无线传输、雷达探测等领域具有公认的可开发的潜力[3][4]。

图2：统计态OAM波束和量子态OAM波束比较

结构隐身主要通过改变目标物体的几何形状等结构参数，针对平面电磁波，使得目标的正向回波信号相消，功率降低。平面电磁波的等相位面垂直于传播方向，而统计态OAM波束的等相位面呈现螺旋形状，具有空间相位梯度，因此目标反射波不再相消，信号相长，回波功率增加，达到了反结构隐身的目的。具体过程示意见图3（GIF动图）。

图3：统计态OAM波束反结构隐身

材料隐身通过在目标物体表面覆盖吸波材料，调整目标物体的电磁波输入阻抗以达到阻抗匹配效果，从而减少回波功率。相比于传统雷达中采用的平面电磁波，涡旋微波量子具有独特的物理特性。根据原子物理理论，平面波微波量子被吸波材料中的束缚电子吸收，但涡旋微波量子基本不被吸收，从而造成目标物体的相对介电常数和输入特征阻抗发生改变，阻抗匹配条件被破坏，进而提升回波功率和RCS。回波功率增加带来接收信噪比的改善，这意味着在同等噪声和杂波下，雷达对目标拥有更高的检测概率，易于发现隐身目标。具体过程见图4（GIF动图）。

图4：涡旋微波量子反材料隐身

团队工作

本文研究团队隶属清华大学航天航空学院航空宇航电子系统实验室（简称清华大学航电实验室），团队紧密结合我国发展航空宇航技术的需求以及未来信息技术的发展趋势，致力于航空宇航电子系统、涡旋电磁波轨道角动量传输与探测等前沿领域研究。在涡旋电磁波轨道角动量方面，清华大学航电实验室成立了电磁波轨道角动量与微波量子实验中心，推动了涡旋微波量子的理论研究和系统验证。在本文中，团队提出了利用涡旋微波量子进行覆盖吸波材料的隐身目标探测方法，构建了涡旋微波量子雷达系统，并进行了理论分析和实验验证。

该工作已发表在《雷达学报》2021年第5期“涡旋雷达探测”专题论文“涡旋微波量子雷达”（张超，王元赫，姜学峰）。

除了本文提出的涡旋微波量子探测之外，清华大学航电实验室在涡旋电磁波长距离传输与探测方面均有深入研究。团队于2016年完成了27.5公里地面涡旋电磁波OAM传输实验，2018年完成了172公里机载长距离电磁波OAM传输实验，均为目前公开报道的世界上最远距离电磁波OAM传输实验；于2017年提出了基于旋转天线的统计态OAM波束反结构隐身探测技术；团队于2020年提出了基于涡旋电子的涡旋微波量子产生与检测方法，并于2021年实现了涡旋微波量子无线传输实验。

清华大学张超团队研究人员见图5，相关代表性研究工作见图6。

图5 清华大学张超教授科研团队

图6 团队相关代表性研究工作

论文介绍

该文首先给出了量子态涡旋电磁波的物理模型，从量子电动力学（QED）的角度阐述量子态涡旋电磁波携带的OAM新维度，并给出量子态涡旋电磁波产生与接收方法。

涡旋微波量子雷达架构如图7所示。在发射端，涡旋微波量子可借助回旋管产生并辐射至自由空间。对于隐身目标探测，可以选用高回波功率的单模态(OAM模态不为0)涡旋微波量子提高接收端信噪比；回旋管的输入为高压电源，因此，控制高压电源的通断即可切换涡旋微波量子发射和关闭，实现脉冲信号。为了获得更高距离分辨率，可以借助回旋行波管实现脉冲的线性调频信号填充。回旋行波管允许带宽范围较大，同时具有信号放大功能。因此可将调制后的小功率大带宽信号作为激励输入至回旋行波管中，配合高压键控，实现涡旋微波量子信号的脉冲调制。在接收端，涡旋微波量子雷达配有传统天线和与发射信号模态相对应的接收回旋管，同时接收回波信号。由于传统天线中不能存在涡旋电子，因此无法直接利用涡旋电子检测的方案区分涡旋微波量子模态。但作为与OAM相独立的物理量，涡旋微波量子的电场强度仍然可以采用传统天线进行接收检测。

图7 涡旋微波量子雷达系统

论文中借助QED知识，分析涡旋微波量子对应的回波功率。具体的推导过程可参考论文中公式2至公式6。涡旋微波量子照射到吸波材料上，在穿透吸波材料的过程中，与吸波材料中的束缚电子发生相互作用。根据选择定则，束缚电子吸收涡旋微波量子并发生跃迁的概率与平面波微波量子相比大为降低。跃迁的束缚电子产生极化电流，从而影响到介电常数，所以涡旋微波量子照射时，吸波材料的特征输入阻抗发生改变。对于设计良好的吸波隐身材料，特征输入阻抗需满足阻抗匹配条件，即材料与自由空间的阻抗相同，从而使得电磁波完全从自由空间进入吸波材料中，进而被转换为热能损耗。因此，涡旋微波量子照射时，可以破坏阻抗匹配条件，增大反射系数，提高回波功率和RCS。针对三种典型的吸波材料，通过仿真所得到的等效后向RCS如下图8所示。从图中容易看出，涡旋微波量子与平面电磁波相比，RCS提高都在4.5 dB以上。

图8 RCS与入射电磁波OAM模态关系

相应的涡旋微波量子雷达隐身目标探测实验如图9所示。模态为1的量子态涡旋电磁波由二次谐波回旋振荡管产生。其中高压电源负责向阴极电子供能，使得电子被发射至回旋管真空环境中。回旋管轴向磁场由线包磁体提供。回旋管产生的涡旋电磁波由辐射器辐射至自由空间。平面波则由信号源输出矩形脉冲，并驱动前级固态功放提升发射功率后得到。考虑到固态功放输出接口为矩形波导，而最终发射天线为圆形辐射器，因此中间还需要矩形转圆形波导连接。辐射器与隐身目标的距离满足远场条件。实验中获得了约9dB的接收功率增益。

图9 涡旋微波量子雷达隐身目标探测实验

为了验证涡旋微波量子雷达相比平面波雷达可以获得更高的接收功率，论文中进行了雷达性能指标仿真。图10给出了3种不同模态下，在距离向上脉冲压缩后的接收信号功率（与接收机灵敏度归一化）。三幅子图中，目标物体分别采用为隐身材料1、2和3，隐身性能依次增加。涡旋微波量子相比于平面波微波量子，回波功率均获得增加。检测概率也大为提高，见图11。

（a）目标物体材质为隐身材料1时雷达接收信号功率

（b）目标物体材质为隐身材料2时雷达接收信号功率

（c）目标物体材质为隐身材料3时雷达接收信号功率

图10 涡旋微波量子雷达接收功率

图11 涡旋微波量子雷达和平面波雷达接收机工作曲线

除了材料反隐身之外，涡旋微波量子雷达还可以借助多个模态实现基于OAM模态维度的目标成像功能。不同于统计态OAM波束雷达利用空间中的方位角域进行成像，涡旋微波量子雷达在完全与空间独立的OAM模态数域反映目标特性。当然，也可以与其他传统维度进行联合成像（即形成高维图像），有望获得更好的目标检测和识别效果。

雷达在探测目标时，常常会受到干扰，包括OAM杂波干扰和平面波干扰。OAM杂波干扰是发射的涡旋微波量子非目标反射形成的，可以根据微波量子特有的反射和散射特性设法降低或消除；平面波干扰往往是人为干扰（比如电子战），此时虽然平面波接收天线不能正常工作，但是涡旋微波量子接收机仍可正常工作，这样便具备了抗平面波阻塞干扰和欺骗干扰的能力。

参考文献：

[1] C. Zhang, X. Jiang and D. Chen, “Signal-to-noise ratio improvement by vortex wave detection with a rotational antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 2, pp. 1020-1029, Feb. 2021

[2] C. Zhang, D. Chen, and X. Jiang, “RCS diversity of electromagnetic wave carrying orbital angular momentum, ”  Scientific Reports, vol.7, no. 1,pp. 1-7, Nov. 2017.

[3] 徐鹏飞, “电磁波轨道角动量量子态研究”, 硕士论文, 清华大学, 2020.

[4] 张超, 王元赫, “涡旋电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析”, 中国科学: 信息科学, 2021 (网络优先发表).

作者简介

张超（1978-），清华大学教授，博士生导师。2005 年获清华大学工学博士学位，2006 年获日本国家信息学研究所（NII）信息学博士（理学博士）学位。IET会士（IET Fellow）、IEEE高级会员、IEICE高级会员。工信部IMT-2030第六代移动通信（6G）无线工作组OAM任务组组长。主要研究方向为涡旋电磁波轨道角动量传输与探测、涡旋微波量子、航空宇航电子系统。

王元赫（1997-），清华大学在读博士研究生。2019年获得西安电子科技大学通信工程学士学位。研究方向为轨道角动量电磁波传输。

姜学峰（1995-），清华大学在读博士研究生。2017年获得清华大学电子信息科学与技术学士学位。研究方向包括轨道角动量微波量子，电磁对抗和基于轨道角动量电磁波的物理层安全。

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编辑：武琰杰 于青

审核：贾守新

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