本文来自《Journal of Lightwave Technology》，发表于2024年3月15日，第42卷第6期。文章题目为“Photonics-Based Broadband Vortex Electromagnetic Wave Generation for High-Resolution Imaging”，主要作者包括Guanqun Sun、Fangzheng Zhang（IEEE高级会员）、Keyi Zhao和Shilong Pan（IEEE会士），研究所属单位包括南京航空航天大学的国家微波光子学重点实验室和武汉光电国家研究中心。
本研究的主题是基于光子学的宽带涡旋电磁波（Vortex Electromagnetic Wave, EM Wave）生成及其在高分辨率成像中的应用。研究背景涉及雷达成像技术的发展，尤其是在空间监视、地球观测和精准制导等领域的应用。传统合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达（ISAR）通过雷达与目标之间的相对运动构成大虚拟孔径以实现高分辨率成像。然而，在前视场景中，由于缺少足够的切向相对运动，SAR或ISAR的方位分辨率受到限制。
近年来，涡旋电磁波携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的特性受到广泛关注，其螺旋相位前可以被视为从不同方位角投射的多个平面波的组合。这种特性使得在无需相对运动的情况下，可实现高方位分辨率的前视成像。然而，目前多数研究集中在窄带涡旋电磁波系统，且主要解决方位超分辨问题，而实现高距离分辨率仍有待突破。宽带涡旋电磁波需要较大的瞬时带宽，但因硬件性能的下降及频散波束发散问题，其生成和成像具有较高难度。
本研究旨在提出并验证一种基于光子学的宽带涡旋电磁波成像系统，利用一种多通道微波光子移相器（Microwave Photonic Phase Shifter）精确控制信号相位，在均匀圆阵（Uniform Circular Array, UCA）中生成宽带涡旋电磁波。研究目标包括验证生成高质量宽带涡旋电磁波的可行性，探讨频率相关的波束扩散对雷达探测性能的影响，并展示宽带涡旋电磁波用于前视雷达成像的优越性。
研究流程可以分为以下四个主要阶段：
系统设计与理论基础
作者提出了一种基于光子学的涡旋电磁波成像系统，其中N个发射天线组成UCA，单个接收天线负责回波接收。系统核心器件为多通道微波光子移相器，该移相器通过将微波信号上变频至光域，再应用在光信号上的编程衰减与相位调整，实现宽带电磁波的精确相位控制。通过理论分析，确定了涡旋电磁波的生成条件以及辐射场与贝塞尔函数的关系，并探讨了频率和OAM模式对波束发散特性的影响。
核心器件性能验证
首先，测量微波光子移相器在18-26 GHz频率范围内的相位和幅度响应，结果表明该移相器具有优异的平坦相位和幅度响应。与传统电子移相器相比，微波光子移相器在相位和幅度噪声（分别为5.5°和0.96 dB）方面显著优于电子移相器（分别为11.7°和2.08 dB）。
宽带涡旋电磁波生成及特性分析
使用八个激光器，生成覆盖18-26 GHz的8 GHz宽带涡旋电磁波，支持OAM模式l = 0, ±1, ±2, ±3。通过电磁测试系统在暗室中测量辐射场的幅度和相位分布。结果显示，不同OAM模式的幅度呈现环形强度分布，其中心强度为零，同时相位具有典型的螺旋特性。研究发现，随频率增加，主瓣向中心塌陷，涡旋的半径减小，同时波束在偏离中心的位置表现出一定的失真，这是由谐波干扰引起的。
宽带涡旋电磁波成像实验
在前视雷达成像实验中，使用l = 0, ±1, ±2, ±3的涡旋电磁波对两个位置不同的角反射器目标进行成像。首先，使用21.75-22.25 GHz带宽的信号成像，结果表明目标在距离方向无法区分，但在方位方向能分离。随后，使用18-26 GHz的8 GHz宽带信号成像，结果成功实现了距离与方位方向的分辨率分离，成像质量大幅提升。
本研究成功验证了一种基于光子学的宽带涡旋电磁波生成和成像系统，在理论和实验上展示了其显著的性能优越性。使用微波光子移相器替代电子移相器，在高分辨率雷达成像中具有重要的应用前景。研究为构建宽带涡旋电磁波系统提供了实用解决方案，对雷达、通信等领域的发展具有重要指导意义。
研究中因OAM谐波干扰导致的场强分布失真仍需改进，未来研究可结合新型阵列设计或算法优化。此外，扩大涡旋电磁波应用范围（如动态场景探测）亦是下一步研究的重要方向。