基于多模接收的旋转多普勒效应相干检测方法及其在遥感中的应用

为解决旋转多普勒效应（RDE）测量中回波信号模态利用率低的问题，研究人员提出了一种基于多模接收的相干检测方法。该方法以基模高斯光束为探测光，通过涡旋参考光与回波信号中不同轨道角动量（OAM）模式的相干拍频，将多模信号映射至RDE频谱，显著提升了模态利用率，并实现检测结果的交叉验证与自适应提取，推动了RDE遥感的实际应用。

　　

旋转多普勒效应（Rotational Doppler Effect, RDE）作为线性多普勒效应在旋转运动中的对应现象，近年来在旋转目标测量领域展现出重要潜力。然而，传统RDE检测依赖携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的涡旋光束作为探测光，其大发散角特性限制了检测灵敏度和范围。更关键的是，现有接收端调制方法仅能提取回波信号中的单一OAM模式，造成信号模态的严重浪费，成为制约RDE遥感实际应用的瓶颈。

为解决这一难题，中国的研究团队创新性地提出了基于多模接收的RDE相干检测方法。该研究以基模高斯光束替代传统涡旋探测光，通过旋转物体调制后生成包含多阶OAM模式的回波信号，并利用涡旋参考光与回波中不同OAM模式的相干拍频，实现了多模信号向RDE频谱的高效映射。相关成果发表于《Optics》。

研究团队采用三项关键技术：1）基模高斯光束（l=0）作为探测光，通过旋转物体表面粗糙度调制产生多阶OAM模式；2）涡旋参考光（l=1）与回波信号中基模成分（l=0）相干，实现不同OAM模式（Δl=±1,±2...）的频谱分离；3）平衡探测器接收拍频信号，通过快速傅里叶变换（FFT）解析RDE频谱。

理论分析表明，当高斯光束（l=0）经旋转速度为Ω的物体调制后，回波信号包含Δl=±n的OAM模式，其RDE频移为Δf=nΩ/2π。通过涡旋参考光（l=1）相干检测，频谱将出现对称双峰结构（Δl=±1），实现多模信号的并行提取。

实验验证采用双光路系统：探测光路发射532nm高斯光束，参考光路生成l=1涡旋光束。旋转物体（Ω=10-50Hz）调制后，回波信号与参考光在50:50光纤耦合器中干涉，平衡探测器测得频谱显示预期双峰特征，信噪比提升3.5倍，验证了多模接收的有效性。

结论指出，该方法突破传统单模接收限制，将回波信号模态利用率提升至理论极限，同时通过频谱多峰特征实现检测结果的自我验证。研究不仅解决了RDE遥感中的信号浪费问题，还为复杂运动目标的TAM（Total Angular Momentum）测量提供了新思路，对大气涡旋监测、旋转目标识别等领域具有重要应用价值。