涡旋电磁波的产生与成像应用研究综述
摘要:涡旋电磁波(简称涡旋波) 因携带有轨道角动量( Orbital Angular Momentum，OAM) 而体现出新的自由度，理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态，在通信领域有望提升频谱效率与通信容量，在雷达成像领域也体现出提高分辨率的潜力。本文概述了涡旋波的理论研究进展; 阐述了涡旋波产生、传输、接收等传播链路的研究方法; 介绍了涡旋波在无线通信领域与雷达成像领域的应用现状; 总结了涡旋波在目前发展中面临的关键问题，并指出其未来研究与发展的方向。电磁涡旋对雷达目标具有方位向成像的潜力。研究可为新体制的雷达设计、目标识别技术的发展提供参考和借鉴。
关键词: 轨道角动量，涡旋波，涡旋波的传播链路，涡旋波通信系统，涡旋波雷达成像 雷达目标成像
Research on Generation and Imaging Application of Vortex Electromagnetic Wave
Abstract: Vortex electromagnetic wave ( VEMW) owns orbital angular momentum ( OAM) which creates a new degree of freedom，meanwhile，it has infinite number of orthogonal modes which not interfere with each other at any frequency． In the field of communication，the utilization of vortex electromagnetic wave can effectively improve spectral efficiency and communication capacity．And VEMW could also be used to increase the resolution of radar in the field of imaging．This paper summarizes the theoretical research progresses of VEMW，and the basic theories of the generation，transmission，reception and propagation links of VEMW are described in detail． The research status of VEMW in the field of wireless communication and radar imaging is introduced． Finally，this paper points out the key issues in the development of VEMW technology and the direction of future researches. Electromagnetic vortices have the potential for azimuth imaging of radar targets. The research can provide reference and reference for the development of radar design and target recognition technology of the new system.
Key words: orbital angular momentum ( OAM) ，vortex electromagnetic wave ( VEMW) ，VEMW propagation link， VEMW communication system，VEMW radar imaging, radar target imaging
引 言
“涡旋”现象在自然界中普遍存在，尤以气流、水流等流体中的涡旋为人们所熟知。电磁波具有螺旋形波前相位分布时，被称为涡旋波，并携带有轨道角动量( Orbital Angular Momentum，OAM) ，可用平面波添加相位因子 eil【1】表示。其中，l 在理论上可取任意值，表征涡旋波的模态(或称模式) ，具有不同l值的涡旋波相互正交，体现出不同于频率、极化等自由度的新自由度，为解决无线电技术面临的问题提供了新思路。雷达技术发展迅速，实现了全天候、全天时、远距离对目标检测，雷达成像技术使目标由“点” 变为含更多信息的图像。为提高雷达分辨率，可加宽频带以提升距离分辨率，也可利用合成孔径技术，提升方位分辨率。轨道角动量拥有不同线性动量已有自由度的新自由度，有望在不增加采样点的情况下提升雷达分辨率，并具备抗干扰能力，为雷达成像技术提供新思路。涡旋波具有全新自由度，可有效利用频谱资源并提升波束抗干扰能力［1］，在通信领域 可提升频谱利用率与通信容量［1-3］，在雷达成像领域可提升分辨率［4］，体现出很好的应用前景。本文梳理了涡旋波的理论研究成果; 介绍了其 产生与发射、传输与调控、接收与检测技术的研究现状; 概括了其在通信与雷达成像领域的研究进展; 归纳了发展过程中存在的问题，并指出涡旋波在未来研究与发展的方向。
1.发展历程
电磁辐射携带能量与动量，其中动量可分为线性动量与角动量，角动量进一步分为:自旋角动量( Spin Angular Momentum，SAM) 与轨道角动量。早在1909 年，Poynting 便预测了电磁角动量的存在［5］，1936 年，Beth用实验证明圆极化光具有 SAM［6］。此后，对 OAM 的研究也逐渐在光学领域展开: 1989 年，Coullet等研究激光腔中非线性涡旋 时引入光学涡旋( Optical Vortices，OV) 的概念［7］， 1992 年，Allen 等证明具有相位因子的拉盖尔－ 高斯( LG) 光束即为 OV，这也使得 OAM 在光学领域的应用研究掀起热潮。2004 年，Gibson 首次提出将 OAM 用于光通信，利用对 OAM 不同状态的编码实现了提升安全性的信息传输［8］。2005 年，Torner等提出基于 OAM 的数字螺旋成像，指出其实现远程成像的可能性［9］。 2007 年，Thideacute;等将 OAM 引入微波频段［3］，提出电磁涡旋( EM Vortex) 的概念并利用天线阵完成了微波段的第一个 OAM 仿真实验。实验产生了类似于LG 光束的涡旋波，其应用提升了系统的通信 容量与效率。2010年，Mohammadi等用均匀圆环阵天线( Uniform Circular Array，UCA) 仿真，实现涡旋波的产生与接收，并研究了其检测方法。2011 年，Tamburini等用螺旋反射面产生涡旋波并实现无线信息传输［2］。随后，Tamburini等又通过涡旋波与非涡旋波在 WiFi 频段的共同传输，证实了涡旋波的抗干扰能力、对地面反射与同频干扰的鲁棒性[1]; 实验也证实涡旋波可提升通信容量，且与传统的数字调制技术具有兼容性。此间，有关涡旋波的产生、传输，以及接收的方法被不断提出，并且在通信与雷达成像领域得以应用。 在通信领域，基于涡旋波的通信技术与传统通信技术间的关系被广泛讨论，同时，基于涡旋波的通信系统的确有效提升了频谱效率与通信容量: 2012年，Mhmouli等实现 4Gbit / s 未压缩视频信号的传输［10］，2014年，Yan 等实现 32Gbit / s、频谱效 率为 16bit / s /Hz、误 码 率 小 于 3． 8 times; 10－3 的信 息 传 输; 在光学领域，1Tbit / s 以上的通信容量也得以 实现。在雷达成像领域，2013年，Guo等分析了将涡旋波应用于雷达成像的可能性［11］，此后，一系列理论研究、仿真皆证实涡旋波可用于雷达成像，且在雷达与目标无相对运动的情况下，即可实现方位角成像，对采样点个数的要求也更低。在此基础上，2017年，Liu 等实现基于涡旋波的超分辨率雷达成像［4］。
