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基于OAM模态的目标参数估计技术
资料介绍
一、OAM技术基础原理
1.1 轨道角动量基本概念
电磁波除了能量和动量之外，还携带角动量，角动量可以分为自旋角动量（Spin Angular Momentum, SAM）和轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）。自旋角动量与电磁波的偏振特性相关，仅存在两种独立的自旋状态，对应电磁波的左旋圆极化和右旋圆极化；而轨道角动量与电磁波的相位分布相关，不同OAM模态之间相互正交，理论上OAM模态可以存在无穷多个，能够为无线通信系统提供额外的自由度，也为雷达目标探测与参数估计领域带来了新的技术方向。
携带OAM的电磁波的电场表达式可以表示为：
其中是柱坐标系下的空间坐标，$A(r, z)$是电场幅度，$l$为OAM模态阶数（可以为任意整数，正负对应涡旋旋转方向），$k$为波数，为角频率。从表达式可以看出，OAM电磁波的相位沿方位角方向呈现螺旋形分布，同一时刻，绕传播轴一周，相位变化为，这种特殊的相位分布是OAM实现目标参数估计的核心基础。
1.2 OAM电磁波产生方式
当前OAM电磁波的产生主要分为以下几类技术方案，不同方案的特性差异也决定了其在目标参数估计中的适用场景：
1. 螺旋相位板法：螺旋相位板是一种厚度随方位角线性变化的相位器件，当平面波入射后，不同方位角的电磁波经过不同厚度的介质后产生与方位角成正比的相位延迟，出射波即携带对应阶数的OAM模态。该方法结构简单，适合光学频段应用，在射频频段尺寸过大，成本较高。
2. 均匀圆形阵列法：通过在均匀圆周上排布多个相同的辐射单元，给每个单元施加对应方位角的相位偏移，使得阵列出射波叠加后形成螺旋相位分布，产生指定阶数的OAM模态。该方法可以通过改变单元馈电相位灵活调整OAM模态阶数，适合射频、微波频段的雷达系统应用，也是当前雷达目标参数估计领域最常用的产生方案。
3. 超表面法：通过人工设计的超表面单元对入射电磁波的相位进行调控，在出射端形成螺旋相位分布，能够产生高质量的OAM电磁波，体积小、集成度高，适合小型化雷达系统应用，当前已经成为OAM产生技术的研究热点。
4. 行波环形天线法：利用环形行波天线中电流的行波特性自然产生螺旋相位分布，结构简单，馈电方便，但单一天线仅能产生固定阶数的OAM模态，灵活性较差。
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