图2.612阵元偶极子天线阵列8图2.7不同模式数的涡旋电磁波相位分布图9图3.1球体的电磁散射特性图16图3.2立方体在不同角度下的电磁散射特性图17图3.3圆锥体在不同角度下的电磁散射特性图17图4.1距离多普勒算法流程图21图4.2相控阵天线图22图4.3最大模式数为30时涡旋电磁波成像25图4.4最大模式数为40时涡旋电磁波成像25图4.5最大模式数为60时涡旋电磁波成像25图4.6目标距离3000m时的涡旋电磁波成像 25

1绪论

1.1研究的背景及意义

根据麦克斯韦经典电磁理论，电磁辐射同时载有能量和动量，其中动量又包括线动量和角动量。当波束含有与角向相关的位相分布时，会具有与角向位相分布有关的角动量，我们称之为轨道角动量[1]。传统雷达成像中的发射波，即平面波的轨道角动量模式为0，本文中新型雷达成像技术中采用的是具有螺旋等相位面特殊波前的涡旋电磁波，其轨道角动量不为0。

轨道角动量不为0的涡旋电磁波可以提供额外的旋转自由度，当其照射目标时，相当于平面波从多个角度入射目标，从而展现了目标特性空间分集的能力[2]。通过发射不同模式的涡旋电磁波得到一系列回波，利用所得回波的特殊性质简化成像步骤。基于涡旋电磁波的雷达成像相对于传统雷达成像更加快捷，并且具有更高的分辨率。由此可见，涡旋电磁波在雷达探测方面具有广泛的前景以及开发价值。

1.2国内外发展历史与现状

涡旋电磁起源于1992年荷兰物理学家L．Allen关于拉盖尔－高斯激光束携带轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)的发现[3]。现在产生携带OAM的波束主要有以下途径：天线阵列，螺旋相位板，全息平板以及非均匀的双折射设备。如今，携带OAM的波束已被成功应用到广泛的领域中，如天体物理，光学操控，量子信息。

2007年8月，BoThidé等[4]发表了将OAM引入微波频段的第一篇文章。通过仿真证明了使用阵列天线可以产生涡旋电磁波。2010年，S．M．Mohammadi和BoThidé针对基于均匀圆环阵列天线的涡旋电磁波发射与接收进行了仿真研究。2010年至2011年，Tamburini和Thidé等[5]利用涡旋电磁技术进行了一次无线通信实验。2012年11月，AlanTennant等通过仿真验证使用TSA(Time－SwitchedArray)圆环阵列可同时在多个频率上产生多种OAM模式的电磁波[6]。

最近几年，国内也开始了对电磁涡旋的研究工作。浙江大学章献民课题组设计了环形谐振器天线[7]，可以产生具有两个轨道角动量态的涡旋电磁波。云南大学黄铭课题组分别设计了由偶极子和微带贴片组成的天线阵列，分析了所产生的涡旋波束场的相位、强度分布以及辐射方向图等[8]。2015年，XiangLi等分析了影响涡旋电磁波相位波前分布的因素，并提出了多输入-多输出和多输出-单输出两种模式的二维雷达成像方案[9]。2016年，YanShi等设计了一种metasurface，可以在无线电频段灵活产生不同模式OAM的涡旋电磁波[10]，并进一步实现了同时在多个方向上产生不同模式OAM的涡旋电磁波[11]。

1.3本文的主要工作内容及结构安排

针对精确制导系统探索应用与创新发展等需求，本课题研究涡旋电磁波在探测方面的相关原理。首先研究涡旋电磁波的产生原理以及不同模式数的涡旋电磁波特性；在了解涡旋电磁波原理的基础上，利用矩量法(MoM)分析在涡旋电磁波照射下的简单目标的电磁散射特性，分析涡旋电磁波的模式数对目标电磁散射特性的影响；最后研究基于涡旋电磁波的新型雷达目标成像方法，并分析涡旋电磁波的模式数对目标图像质量的影响。这些研究将为新体制的雷达探测系统设计提供理论依据。