基于旋转多普勒效应的自旋目标转速估计方法

旋转多普勒效应是携带轨道角动量的涡旋电磁波用于旋转目标探测时的一种重要现象.相比于传统平面波,旋转多普勒效应使得涡旋电磁波可以沿目标旋转轴方向探测到目标的自旋运动.然而,对于特定结构的自旋目标,利用整数阶轨道角动量波束进行探测仍然存在盲区.为了拓展基于旋转多普勒效应的探测方案的适用范围,本文基于时频分析方法,研究了在分数阶轨道角动量波束正入射和斜入射时自旋目标的转速估计方法.首先基于理想散射点模型,推导了其在整数阶和分数阶轨道角动量波束正入射和斜入射时的回波模型,以及理论时频曲线.其次,以三维实际目标为例,基于矩量法和短时傅里叶变换方法,得到目标在分数阶轨道角动量波束入射时的回波及其时频图,并从时频图中提取时频脊及其波动周期,以此估计目标自旋速度.结果证明,分数阶轨道角动量波束无论在正入射还是斜入射情况下均可有效地估计自旋目标的旋转速度,并且能够克服整数阶轨道角动量波束的探测盲区,在探测目标自旋运动时具有更广泛的适用性.

部分相干光束旋转多普勒效应的理论研究

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转物体透射后探测光强的解析表达式,从而系统研究部分相干光的旋转多普勒效应.具体地,选用开口大小可调节的角掩膜,理论上模拟仿真探测光强信号的波形图随光场横截面相干度的变化关系,分析其频谱特性,并探究探测光强的可见度随相干度的变化关系及原因.理论模拟发现:相干度的变化不影响调制频率的大小,进而不影响测量旋转物体转速的准确性;大多数情况下光强信号的可见度会随着相干度的增大而增大,但在某些特殊情况下会存在零点.该理论研究为利用部分相干光的旋转多普勒效应来实现转动的远程遥感测速提供了理论依据.

利用旋转多普勒的单站无源定位性能分析

针对只测相位差变化率无源定位问题,提出了一种利用旋转多普勒的单站无源定位体制。该体制利用两接收天线构成长基线干涉仪(LBI),不但利用干涉仪平动带来的相位差变化率信息,还利用干涉仪自身转动引入的相位差变化率信息。从定位线特性的角度分析了该定位体制的原理,并推导了定位误差的克拉美-罗下限(CRLB)。理论分析和计算结果表明,通过干涉仪转动,能够提高定位精度,且干涉仪转动越快、基线方向变化范围越大,定位性能越好。

涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展

依据多普勒效应,传统雷达可以实现对运动目标探测,但是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,因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。该文主要介绍了近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展,特别是微波波段的相关研究成果,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。同时,该文也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。

基于物体对称性实现旋转多普勒效应的优化测量

为了快速高效地测量对称物体的转速,基于数字螺旋成像理论,提出了一种测量旋转多普勒频移的优选方案.通过在空间光调制器上加载多重对称性物体的旋转光栅来模拟旋转物体.实验中通过测量三重对称物体和十重对称物体的反射谱,分析其频谱特性,验证了该方案可以快速高效地得到高信噪比的信号,进而测得转速,且测量误差在0.7%左右.该方法对测量具有多重对称性的物体的转速高效准确,有望应用在遥感技术领域,甚至在天文领域探测天体转速.

涡旋电磁波雷达锥体目标旋转多普勒探测

涡旋电磁波具有独特螺旋状波前结构,其受目标横向微动调制产生的旋转多普勒效应,有望为雷达目标探测技术的发展提供一个新途径。在涡旋电磁波照射下,利用锥体微动对回波瞬时频率的周期性调制特性,可以有效反演出锥体目标的微动参数和几何特征。该文重点研究了雷达前视条件下的锥体目标参数估计。首先,基于涡旋电磁波雷达目标旋转多普勒探测原理,推导了涡旋电磁波锥体目标回波数学方程,建立了锥体目标回波旋转多普勒模型。其次,提出了前视条件下的锥体目标参数估计方法,利用锥顶散射点和锥底散射点两维的旋转多普勒信息,可以对锥体目标微动参数和几何特征参数进行有效估计,仿真结果验证了该文所提方法的有效性及抗噪声鲁棒性。

用旋转多普勒方法解析矢量涡旋光的偏振特征

矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究,分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法,对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中,矢量光经过旋转物体散射,散射光由于多普勒效应,各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角,相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号,为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。

多径向节次拉盖尔-高斯光束旋转多普勒效应分析

针对不同径向节次拉盖尔-高斯(LG)光束,首先阐述了其物理意义及强度分布规律,分析了高径向节次LG光束在横向偏移入射条件下的旋转多普勒效应(RDE)。其次,根据散射体模型,设计变量控制实验探究了不同径向节次LG光束对横移条件下RDE的影响,实验结果表明:不同径向节次LG光束虽然能够增强横向位移条件下旋转多普勒信号的光强及幅值,有助于转速信息提取,但二者并非线性关系;随着径向节次的增大,频域信号幅值呈现先增大后减小的规律,存在最佳径向节次值,使得信号幅值最大;LG光束的径向节次并不影响转速测量精度。最后,从理论上分析了LG光束的径向节次影响旋转多普勒信号强度的原因。本研究在拓展涡旋光测速应用范围,增加目标转速探测距离及提高准确度方面具有较大的应用潜力。

基于双重傅里叶分析的光学旋转多普勒频移优化测量

从旋转多普勒频谱展宽的机理出发,根据轨道角动量模式展开的原理,分析了展宽频谱的特征,提出了一种双重傅里叶分析方法,将展宽的频谱进行处理,得到具有单一峰值的频谱,从而更加方便、清晰地提取目标转速,降低光学旋转多普勒测速技术对光束质量和入射条件的要求。该研究有助于进一步推动旋转多普勒测速技术在实际工程中的应用。

利用涡旋光束的旋转多普勒效应测量角速度

携带轨道角动量的涡旋光束具有螺旋相位波前,照射到旋转物体上可以产生与拓扑荷数、转速成正比的旋转多普勒频移。利用旋转多普勒效应测量目标旋转角速度。使用空间光调制器的计算全息法产生涡旋光束,利用MATLAB控制加载在空间光调制器上的计算全息图的角速度来模拟物体的旋转,用光学外差法搭建光路,采用拓扑荷数分别为6,10,20的涡旋光束对旋转目标进行测量,利用CCD探测较弱的差频信号光,基于光强积分方法并通过时间采样,对实验数据进行余弦函数拟合,得到目标旋转角速度,结果与预设的数值一致。

基于叠加态涡旋光多普勒效应的物体速度探测

涡旋光携带轨道角动量,具有螺旋相位,其坡印廷矢量与光轴存在夹角。涡旋光坡印廷矢量的角向分量会引起旋转多普勒效应,可对旋转速度进行直接测量。利用涡旋光的线性多普勒效应与旋转多普勒效应可以对物体的线速度以及转动速进行探测,对物体的复合运动状态进行描述。在此基础上,利用叠加了不同轨道角动量模式的涡旋光对目标进行探测,不同的轨道角动量模式会造成不同的频移,结合线性多普勒效应造成的频移可以测量复合运动具体速度成分。由此提出了一种叠加态涡旋光对于复合运动的测量模型,并分析了不同运动状态对探测结果的影响。

基于广义相对论的涡旋光旋转多普勒效应机理研究

为了加深对涡旋光旋转多普勒效应的理解,利用广义相对论对涡旋光旋转多普勒效应进行了机理研究。首先利用坐标变换得到弯曲空间的度规张量,进而得到弯曲空间下电位移矢量和磁感应强度表达式;在此基础上,可推导出旋转系统中的麦克斯韦方程组;然后利用准经典近似条件得到涡旋光因所在参考系转动产生的角频率差;最后,基于上述结论并结合涡旋光的螺旋波阵面特性,得到涡旋光旋转多普勒效应公式。该公式与文献中通过其他方法得到的涡旋光旋转多普勒效应公式相同,证明了该方法的正确性。

基于涡旋电磁波的多普勒技术研究进展

根据涡旋电磁波的基本理论在对其性质进行了仿真分析;基于均匀圆形阵列模型验证了平方贝塞尔函数在俯仰角的混叠特性;将线性多普勒、旋转多普勒以及微多普勒的原理以及性质进行比较,以展示涡旋探测的优缺点;归纳了近几年涡旋电磁波在多普勒探测方面的研究进展,仿真验证了检测能力;同时,总结了在旋转多普勒和微多普勒探测中面临的关键难题,并指出进一步研究的方向。

基于双阶涡旋光束的旋转测速精度提升方法

涡旋光束因其独特的螺旋型波前结构,在对旋转物体探测时会产生与转速成正比的旋转多普勒频移,双阶涡旋光束的转速测量精度是单阶的2倍,但探测过程的噪声干扰会引起测量精度的下降。首先,通过分析双阶涡旋光束的旋转物体速度测量机理,给出测量精度影响因素分析。其次,在给出测量系统设计的基础上设计物体转速提取算法思路。最终,对高斯噪声、乘性噪声、探测器累积时间和光束模式纯度这四种情况对于测速精度的影响进行分析。结果表明,高阶双阶涡旋光束能有效提升噪声环境下的测速精度,提高模式纯度至94%以上,探测器累积时间控制在0.49s以上可以获得更好的测速精度。

基于相干合成涡旋光束的离轴入射转速测量

基于涡旋光束旋转多普勒效应的转速测量技术,在实际应用中面临探测涡旋光功率低、难以严格沿转轴入射、轨道角动量谱扩散严重等问题,直接影响转速测量的距离和精度.阵列光束相干合成高质量、高功率的涡旋光束,是提高回波信号强度最直接的技术方法.本文在光纤激光阵列相干合成涡旋光束转速测量实验装置的基础上,开展了离轴入射条件下的相干合成涡旋光束目标转速测量的理论建模和实验验证研究.首先,对离轴入射相干合成涡旋光的轨道角动量谱进行了理论研究,建立了基于旋转多普勒效应的相干合成涡旋光束目标转速解调的一般模型.其次,进行了离轴入射情况下的目标转速测量实验,实验结果验证了该转速解调普适模型的有效性.该研究可为基于涡旋光束旋转多普勒效应的远程探测应用提供技术参考.

涡旋光任意入射条件下的旋转物体转速探测(特邀)

涡旋光是一种携带轨道角动量的空间结构光束,照射到旋转的平板物体表面时频率会发生移动,这一现象被称为光学旋转多普勒效应,通过测量光束频移可获得平板物体的旋转速率。频移受光束入射条件的影响,通过揭示入射条件影响规律,可实现任意入射条件下的旋转物体转速测量。首先,建立了速度投影模型,分析了光学旋转多普勒效应的产生机理。其次,通过理论推导得出了涡旋光任意入射条件下的旋转多普勒频移分布规律,并提出了提取物体旋转频率的理论方法。最后,搭建了旋转多普勒效应的实验装置,采用拓扑荷数为±18的叠加态拉盖尔-高斯光束在四种不同入射条件下测量旋转多普勒频移谱,将实验频谱与理论频移曲线结合,测得物体的旋转频率,相对误差低于1%。

基于涡旋电磁波的雷达应用研究进展

携带轨道角动量的涡旋电磁波,相比于传统平面波有着独特的螺旋相位结构与模态正交特性,因而能获取更多信息,在雷达探测中受到广泛关注。轨道角动量调制带来的升维信息为新体制雷达成像提供了条件;另外,利用涡旋电磁波观测到的旋转多普勒效应,可获得平面波难以探测的垂直于距离向的运动信息,弥补了平面波雷达探测的缺陷。文中首先介绍了涡旋电磁波的基本概念、特点及常见的产生方法;然后,介绍了基于均匀圆阵的涡旋电磁波成像基本原理,简单推导了利用涡旋波进行旋转多普勒检测的基本原理,梳理了涡旋波在雷达成像和旋转多普勒检测两个应用领域的研究进展;最后,对未来的研究趋势进行了展望。

基于涡旋光多普勒效应的旋转柱体转速探测

作为具有螺旋形相位、携带有轨道角动量的结构光束,涡旋光的多普勒效应与经典平面波束多普勒效应相比,多出了垂直于光束截面内的相对运动引起的频移分量。建立速度-坡印廷矢量模型和相位调制模型来研究涡旋光的线性与旋转多普勒效应,得出了复合运动下涡旋光多普勒频移的产生规律。在此基础上,针对旋转柱体这一典型的空间运动目标,采用两种模型分别对其表面产生的多普勒频移进行分析,得到的相同结果证明了理论分析方法的正确性。揭示涡旋光探测旋转柱体的频移分布规律,并探究了不同涡旋光半径和不同柱体尺寸对探测结果的影响。

涡旋电磁波及其在雷达中应用研究进展

涡旋电磁波因携带有轨道角动量信息,相比于传统电磁波有着更高维度的信息调制自由度,在雷达目标检测和成像领域具有很大的应用潜力.本文首先介绍了涡旋电磁波基本概念和线极化条件下的辐射场分布特点.然后给出利用涡旋电磁波进行雷达目标成像和旋转目标检测的工作原理,分析总结了其相对于传统雷达探测技术展现出来的性能优势.接着综述了电磁涡旋成像和旋转多普勒检测的发展历程与研究现状,特别地,面向雷达目标探测需求对涡旋电磁波产生技术进行较为全面的总结和概括.最后,展望涡旋电磁波在雷达中应用的发展前景,指出未来发展中的若干关键科学问题.

基于涡旋电磁波的雷达探测技术概述

涡旋电磁波具有螺旋相位波前结构,能比平面波获取更多的目标散射信息,因而在雷达探测与成像领域展现出巨大的潜力。文中根据涡旋电磁波的基本理论对其特性进行了数值仿真与分析;基于均匀圆阵的成像模型与回波处理流程,验证了平方贝塞尔函数在俯仰角的混叠特性;将平面波成像、关联成像的原理以及性质进行比较,以展示涡旋成像的优缺点;阐述了近几年涡旋成像以及旋转多普勒探测的研究进展,仿真验证了旋转多普勒的检测能力;同时,展望了基于涡旋电磁波雷达探测技术的未来发展方向。