基于正交频率分集的合成涡旋波束聚焦与二维成像技术研究

为解决传统轨道角动量(OAM)雷达存在的波束空心化、抗干扰能力不足及计算复杂度高等问题，研究人员提出基于正交频率分集的合成OAM(OFD-SOAM)雷达系统。通过联合循环相移和频率偏移构建新型信号模型，结合频率-模态映射策略实现非空心波束合成与高分辨率成像。该成果发表于《Digital Signal Processing》，为涡旋电磁波雷达应用提供了资源高效且抗干扰的解决方案。

　　

论文解读
涡旋电磁波（Vortex EM waves）携带的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）为雷达成像开辟了新维度，但其固有的波束空心化（中心相位奇点）和能量发散问题严重制约实际应用。传统解决方案如正交波形分集（OWD-OAM）需长相位编码序列，存在计算资源消耗大、抗干扰能力弱的缺陷。如何在不牺牲系统灵活性的前提下实现高稳健性、低复杂度的OAM波束合成，成为雷达领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，中国研究人员提出正交频率分集合成OAM（OFD-SOAM）雷达系统。其创新性体现在三方面：通过循环相移与频率偏移的联合建模消除波束空心；设计频率-模态映射策略提升信号正交性；开发专用回波处理框架实现高精度相位重建。仿真验证表明，该系统较传统OAM雷达内存占用降低40%，运算效率提升35%，且具备显著抗干扰优势。相关成果发表于《Digital Signal Processing》，为下一代智能雷达奠定理论基础。

关键技术方法
研究采用均匀圆形阵列（UCA）发射端，通过为每个阵元分配独特频率偏移量（Δf_i(n)）构建正交信号；接收端采用单阵元多脉冲接收模式，结合N通道匹配滤波实现模态分离；开发基于相位预处理-累积-方位校正的二维成像算法，利用快速傅里叶变换（FFT）完成距离压缩。

研究结果

1. OFD-SOAM信号模型：通过理论推导证明，循环频率偏移（Δf_i(n)=l_if_o/N）与相位梯度（l_iφ_n）的耦合可合成平面波前，消除中心空心率达98%。
2. 频率-模态映射：仿真显示当频率间隔f_o≥1/T_p（T_p为脉宽）时，模态间干扰抑制比超过25dB。
3. 二维成像验证：对2km处φ=π/6的目标成像测试表明，方位向分辨率较传统OAM提升3倍，旁瓣抑制比提高15dB。

结论与意义
该研究突破OAM雷达工程化应用的核心障碍：通过硬件兼容的频率分集方案替代复杂的相位编码，在保持UCA结构优势的同时实现非空心波束；创新的信号处理框架将计算复杂度从O(N²)降至O(NlogN)。其意义不仅限于雷达成像，为无线通信、无人机跟踪等需要模态复用的领域提供普适性方法。未来可通过优化频率分配策略进一步拓展多模态合成能力。