电磁波量子态轨道角动量雷达探测和方法技术

本发明专利技术提供一种电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统和方法，系统包括发射子系统和接收子系统。发射子系统，生成携带量子态轨道角动量的电磁波光子或微波量子，并选取所需轨道角动量模态数电磁波，经量子电磁波波束赋形天线发射后照射探测目标；接收子系统，使用光探测器接收反射光子，或者使用天线接收量子态轨道角动量电磁波的电场强度，经信号处理单元计算所需探测目标的参量，通过数据处理和认知处理提高检测前信号的信噪比，最终使用高信噪比的信号完成雷达探测的检测、成像和跟踪等功能。上述发明专利技术具有回波信号功率强，检测前信噪比高和散射截面积大的特点，可从根本上改善传统雷达的探测极限，提高探测能力。

Detection and method of quantum orbital angular momentum radar of electromagnetic wave

【技术实现步骤摘要】
电磁波量子态轨道角动量雷达探测和方法
本专利技术涉及电磁波轨道角动量量子态
，更为具体地，涉及一种电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统和方法。
技术介绍
随着电磁波吸波结构、材料和等离子体等技术的发展与应用，现代雷达探测目标减弱电磁波的能力显著提升，其正向雷达散射截面积(RCS)一般小于0.01m2，达到10-3m2；某些弱小RCS目标甚至可达到10-4m2。探测弱小RCS目标的能力是现代雷达系统的重要技术指标，而公开报道的现代雷达系统对目标的极限探测能力仅达到0.01m2，严峻考验着雷达对探测弱小RCS目标能力，必须升级雷达探测弱小RCS目标的性能以满足探测需求。当前射频雷达系统或者光学雷达(微波、毫米波、激光等)都以平面电磁波为基础，利用测量电磁波的电场强度信号进行探测。传统方法大多在算法层面上提高检测前信噪比或者采用更高功率和多频率的多基地雷达布站方式等，对雷达探测弱小RCS目标的性能提高已经趋近极限。若希望雷达探测弱小RCS目标的性能取得突破性进展，只能寄希望于新型电磁波的引入。电磁波轨道角动量是区别于电场强度的固有物理量，可形成新维度，与传统平面波雷达不同，电磁波轨道角动量雷达具有极强的弱小RCS目标探测能力。角动量是物质和场的基本状态守恒量，可以分为与内禀属性有关的自旋角动量(SAM)以及与空间有关的轨道角动量(OAM)，具有轨道角动量的电磁波又被称为涡旋电磁波，因为其与平面波不同的是具有螺旋相位面且在主轴中心存在能量零陷阱，相位奇点和模态数l，模态数表示螺旋相位绕主轴相位变化的剧烈程度，一般认为绕主轴一周相位变化2πl的OAM电磁波具有模态数l，并且同频不同模态数的OAM可以同时正交传输，提高频谱效率。从量子力学的角度来看，电磁波是由微波量子(光子)构成，光子是电子传递相互作用的媒介，量子态轨道角动量电磁波是将光子的轨道角动量这一维度映射到原子核中的回旋电子的轨道角动量，满足量子力学规律，称之为量子态轨道角动量，所以轨道角动量是区别于电磁波电场强度的新维度。近年来，因为轨道角动量是电磁波当中的固有维度但是又是区别于电磁波电场强度的新维度，所以关于OAM电磁波的研究在微波毫米波频段和光学频段的通信和雷达探测等领域吸引了大量研究人员的注意。2007年，B.Thidé等人首次使用圆环形天线阵列在微波频段产生和检测携带OAM的电磁波。R.Niemiec等人在2015年通过仿真分析了2.45GHz的OAM电磁波入射几种反射表面，认为经过反射的OAM波依然可以保持螺旋状波前。2017年，LiuKang等人使用16个喇叭天线构成环形天线阵列产生OAM电磁波，并通过发送步进频信号实现对目标进行二维成像。最近研究发现，OAM的螺旋状波前形成特有的相位梯度，对复杂目标照射时，不同OAM模态数的同频电磁波具有不同RCS的发射信号，利用该物理特性进行雷达分集接收可以获得5-10dB的增益，并且利用材料原子对高阶轨道角动量电磁波的吸收概率低这一特性可以提高探测回波功率；在OAM量子态方面，2016年美国科罗拉多大学在低温环境(4K以下)完成了对单个微波量子的传输和操控；2017年日本分子科学研究所Katoh等人分别用理论和实验证明相对论回旋电子可以辐射携带OAM的电磁波。因此，OAM这一维度用于雷达探测中的检测、跟踪和成像都具有很高的潜在应用价值。目前传统雷达探测系统使用平面电磁波对弱小RCS目标探测，限制了探测性能提升，在雷达探测中存在结构RCS减弱和材料RCS减弱等问题。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统和方法，以解决目前传统雷达探测系统使用平面电磁波对弱小RCS目标探测，限制了探测性能提升，在雷达探测中存在结构RCS减弱和材料RCS减弱等问题。本专利技术提供的电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统，系统包括发射子系统以及与发射子系统连接的接收子系统；其中，发射子系统包括：依次连接的高速电子枪、高压脉冲电源、电子回旋产生模块、轨道角动量量子发射器、轨道角动量模态选择器，以及波束赋形发射天线；接收子系统包括依次连接的：接收天线、射频接收模块、信号处理单元、以及与信号处理单元同时连接的数据处理单元和认知处理单元；发射子系统用于发射量子态轨道角动量电磁波；接收子系统用于接收并处理量子态轨道角动量电磁波，基于量子态轨道角动量电磁波获取最优雷达发射信号，并将其OAM参数发送给发送子系统；认知处理单元用于对雷达发射信号进行信号优选，获取高RCS的回波信号，并基于回波信号完成雷达成像、自动检测、跟踪和目标识别。此外，优选的方案是，在发射子系统中，高速电子枪，用于产生自由电子；高压脉冲电源，用于提供脉冲高压，通过脉冲高压将自由电子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；电子回旋产生模块，用于将高速运动的电子转变为高速回旋运动的电子；轨道角动量量子发射器，用于基于高速回旋运动的电子产生量子态轨道角动量电磁波；轨道角动量模态选择器，用于从量子态轨道角动量电磁波中筛选出所需模态和频率的量子态轨道角动量电磁波；波束赋形发射天线，用于将筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空间并对雷达探测目标进行照射。此外，优选的方案是，在接收子系统中，接收天线，用于接收自由空间中的量子态轨道角动量电磁波，并将量子态轨道角动量电磁波转化为传输线中的导行电磁波；射频接收模块，用于对导行电磁波进行放大、滤波及下变频处理，形成对应的中频信号；信号处理单元，用于对中频信号进行采样及信噪比提高处理，形成对应的合成信号；数据处理单元，用于对合成信号进行检测及合并处理；认知处理单元，用于对雷达探测目标进行认知处理，并根据认知处理结果将最优的雷达发射信号反馈至发射子系统。此外，优选的方案是，信号调节包括对雷达发射信号进行波束形成、脉冲压缩、杂波滤波和多普勒处理。此外，优选的方案是，量子态轨道角动量电磁波或导行电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。此外，优选的方案是，电子回旋产生模块包括传播方向匀强磁场、波荡磁场、静电场或磁场混合。此外，优选的方案是，轨道角动量模态选择器为谐振腔和/或波导。此外，优选的方案是，波束赋形发射天线为矩形波导、圆波导、平行平板波导或反射面中的任意一种。此外，优选的方案是，接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线或阵列天线中的任意一种，对于光频电磁波，该部分理解为相应的光探测器；根据本专利技术的另一方面，提供一种电磁波量子态轨道角动量雷达探测方法，利用如上的电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统对雷达探测目标进行探测；其中，方法包括：发射子系统用于发射量子态轨道角动量电磁波，可以是激光雷达频段的电磁波，也可以是射频雷达波段的电磁波。量子态分别对应光子和微波量子；接收子系统对量子态轨道角动量电磁波进行接收并处理，获取与量子态轨道角动量电磁波对应的最优雷达发射信号，并将雷达发射信号OAM参数发送至发射子系统；通过接收子系统的认知处理单元对雷达发射信号进行信号优选，获取高R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁波量子态轨道角动量(OAM)雷达探测系统，其特征在于，所述系统包括发射子系统、与所述发射子系统连接的接收子系统；其中，/n所述发射子系统包括：依次连接的高速电子枪、高压脉冲电源、电子回旋产生模块、轨道角动量量子发射器、轨道角动量模态选择器，以及波束赋形发射天线；/n所述接收子系统包括依次连接的：接收天线、射频接收模块、信号处理单元、以及与所述信号处理单元同时连接的数据处理单元和认知处理单元；/n所述发射子系统用于发射量子态轨道角动量电磁波；/n所述接收子系统用于接收并处理所述量子态轨道角动量电磁波，基于所述量子态轨道角动量电磁波获取最优雷达发射信号，并将所述雷达发射信号OAM参数发送至发射子系统；/n所述认知处理单元用于对所述雷达发射信号进行信号优选，获取高信噪比的回波信号，并基于所述回波信号完成雷达的成像、自动检测、跟踪和目标识别功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种电磁波量子态轨道角动量(OAM)雷达探测系统，其特征在于，所述系统包括发射子系统、与所述发射子系统连接的接收子系统；其中，
所述发射子系统包括：依次连接的高速电子枪、高压脉冲电源、电子回旋产生模块、轨道角动量量子发射器、轨道角动量模态选择器，以及波束赋形发射天线；
所述接收子系统包括依次连接的：接收天线、射频接收模块、信号处理单元、以及与所述信号处理单元同时连接的数据处理单元和认知处理单元；
所述发射子系统用于发射量子态轨道角动量电磁波；
所述接收子系统用于接收并处理所述量子态轨道角动量电磁波，基于所述量子态轨道角动量电磁波获取最优雷达发射信号，并将所述雷达发射信号OAM参数发送至发射子系统；
所述认知处理单元用于对所述雷达发射信号进行信号优选，获取高信噪比的回波信号，并基于所述回波信号完成雷达的成像、自动检测、跟踪和目标识别功能。


2.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统，其特征在于，在所述发射子系统中，
所述高速电子枪，用于产生自由电子；
所述高压脉冲电源，用于提供脉冲高压，通过所述脉冲高压将所述自由电子加速到相对论高速状态形成高速运动的电子；
所述电子回旋产生模块，用于将所述高速运动的电子转变为高速回旋运动的电子；
所述轨道角动量量子发射器，用于基于所述高速回旋运动的电子产生量子态轨道角动量电磁波；
所述轨道角动量模态选择器，用于从所述量子态轨道角动量电磁波中筛选出所需模态和频率的量子态轨道角动量电磁波；
所述波束赋形发射天线，用于将筛选出的量子态轨道角动量电磁波辐射到自由空间并对雷达探测目标进行照射。


3.如权利要求1所述的电磁波量子态轨道角动量雷达探测系统，其特征在于，在所述接收子系统中，
所述接收天线，用于接收所述自由空间中的量子态轨道角动量电磁波，并将所述量子态轨道角动量电磁波转化为传输线中的导行电磁波；
所述射频接收模块，用于对所述导行电磁波进行放大、滤波及下变频处理，形成对应的中频信号；
所述信号处理单元，用于对所述中频信号进行采样及信噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，徐鹏飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11