吕 坤 马 晖 刘宏伟

(西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 西安 710071)

1 引言

涡旋电磁波概念是近年来电磁学的几大热点研究之一。根据经典电动力学，电磁波的远场辐射特征参量包括能量与角动量。光学研究中首先发现光波除了自旋角动量(即极化效应)之外，还可同时具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)。之后，学者们发现OAM这一概念也适用于低频无线电波，并将携带有OAM的电磁波命名为涡旋电磁波(ElectroMagnetic Vortex,EMV)，简称涡旋波或OAM波[1-7]。与平面电磁波不同，携带OAM的涡旋电磁波产生特定的场相位分布。该场相位分布是解析的，且与其本征态有关。OAM将涡旋电磁波传播的宏观形式描述为方位维周期变化的相位和发散的波束能量[8]。OAM对应的模态域可作为时、频、极化域之外的全新复用维度，应用于通信、雷达、感知等系统中。

在雷达领域，涡旋电磁波的OAM模态所对应的独立分辨维度可以为目标检测或成像提供新的信息。在平面波框架中，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像、实孔径雷达成像等二维雷达成像系统已经发展成熟[9]。其中通过孔径维的相干积累、数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)或基于随机空间采样的场景重建可以获得孔径维上距离切向对应的横向分辨率[10]。当引入涡旋波OAM模态后，只要观察到足够的本征模，就可以通过从OAM模态域到方位角域的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)简单、快速地得到方位角维的信息[11]。文献[12]研究了在SAR成像中以单模态涡旋电磁波代替平面波的成像算法，以旁瓣增高的代价获得了更好的横向分辨率。……