用于激光雷达信号接收中稳健空间滤波的环形光学涡旋场

《Optics and Lasers in Engineering》：Annular optical vortex fields for robust spatial filtering in LiDAR signal reception

　　环形涡旋场实现了激光雷达（LiDAR）接收端的空间滤波。螺旋光子阵列将回波转换为暗心涡旋模式。涡旋-艾里模态对比实现了背景光的空间分离。## 引言现代探测系统，包括无线电探测与测距（雷达）和激光探测与测距（LiDAR），在国防、气象、地球物理和交通等领域的应用中发挥着核心作用[1–5]。这些系统能够实现对复杂传播介质中目标的非接触式感知和精确表征，提供位置、运动和物理特性等关键信息。代表性进展展示了其在各种场景中的广泛应用能力，包括使用量子雷达探测隐身目标[6,7]、通过双极化相控阵雷达实现高分辨率风场反演[8,9]、利用干涉合成孔径雷达监测亚毫米级地表形变[10,11]，以及通过雷达与车对万物（V2X）通信集成实现智能交通感知增强[12,13]。随着应用场景日益复杂，尤其是在存在强干扰、杂波和非理想传播条件的环境中，对高信号鲁棒性和系统稳定性的需求已成为现代传感技术中的基本挑战。为此，雷达系统已引入极化敏捷、空时自适应处理（STAP）、认知波形设计和分布式多输入多输出（MIMO）架构等先进技术，以增强抗干扰能力和韧性[14–18]。虽然这些方法在复杂电磁条件下显著提升了鲁棒性，但仍存在固有局限，尤其是在空间分辨率和对精细结构特征的敏感度方面。这些局限促使人们探索具有更高分辨率和更丰富空间信息的光学探测模式。工作在光波段的LiDAR系统具有卓越的空间分辨率，并能捕获目标的精细结构细节，使其在精密传感领域极具前景。例如，调频连续波（FMCW）LiDAR采用相干探测原理，即使在信噪比低至?20 dB的情况下也能实现厘米级测距精度[19,20]。全固态闪光LiDAR通过结合焦平面阵列探测与计算成像技术，有效缓解了由雨、雾等恶劣天气条件引起的散射噪声和点云畸变[21,22]。这些进展突显了LiDAR系统在高分辨率和高保真度探测方面的潜力。然而，LiDAR系统在复杂环境中仍容易受到性能退化的影响。强烈的气溶胶和液滴散射、大气湍流以及多径效应可能会显著扭曲光信号，导致探测能力下降和信号保真度降低。传统的信号处理方法，如小波去噪[23]和经验模态分解[24]，在这种情况下只能提供有限的改进，尤其是在处理具有空间结构的噪声和干扰时。因此，提高LiDAR系统的内在鲁棒性已成为一项关键挑战。在此背景下，结构化电磁场，特别是携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束，为鲁棒的光学探测提供了一条有前途的途径。得益于其螺旋相位前沿和可调谐的拓扑荷结构，OAM光束在信号复用和干扰抑制方面展现出巨大潜力。各种OAM生成技术已被开发，包括基于超表面的几何相位调制以产生高纯度拉盖尔-高斯模式[25]、用于生成具有明确定义拓扑荷的贝塞尔涡旋光束的螺旋相位板[26]，以及用于太赫兹频段OAM编码的等离子体结构[27]。这些方法利用相位工程产生具有正交模态特性的涡旋场，拓扑荷的变化创建了空间独立的通道，显著增强了复杂环境中的信号识别能力[28]。近期研究进一步探索了将OAM和结构化光集成到雷达和LiDAR系统中。携带OAM的电磁波固有的涡旋相位结构在雷达成像实验中已被证明具有优异的角分辨能力和有前景的杂波抑制能力[29,30]。分数阶OAM合成孔径雷达（SAR）技术已在多目标和噪声条件下证明了高分辨率成像能力[31]。已提出在LiDAR架构中集成基于涡旋的空间滤波和同轴调制方案，以抑制杂散干扰并改善探测性能[32]。基于光子筛的OAM LiDAR系统已在晴朗和多云条件下实现了稳健运行[33]，同时已研究了水下蓝绿LiDAR中基于涡旋的空间滤波以减轻多重散射并提高测距精度[34,35]。尽管取得了这些进展，现有基于OAM的LiDAR系统仍面临关键挑战，如模态纯度有限和拓扑鲁棒性不足，尤其在湍流[36]或多径环境[37]中容易受到模态退相干和信息丢失的影响。这些挑战阻碍了基于OAM的LiDAR在复杂环境中的实际部署，并凸显了需要更鲁棒和自适应的探测框架。在本工作中，我们提出了一种基于螺旋光子阵列产生的环形光学涡旋场的LiDAR接收端空间滤波策略。核心思想是利用接收焦面上涡旋信号与建模宽带背景之间的模态对比。接收信号被转换为具有暗心环形轮廓的贝塞尔型涡旋场，而背景分量则被接收透镜聚焦成轴上艾里斑图案。这种空间分离使接收端能够在光场层面进行信号选择，将背景抑制从频谱或纯几何滤波问题转变为涡旋模态识别问题。在标量衍射框架内，我们建立了连接涡旋生成、回波传播和环形空间滤波的统一模型，并利用该模型研究滤波机制对环境光谱变化和制造相关结构误差的响应。本工作的贡献有三方面：阐明了涡旋-背景分离的光场机制；定量分析了环形涡旋模式对宽带波长变化、径向阵列错位和孔径尺寸偏差的容忍度；并表明环形涡旋场可以用作LiDAR信号滤波的物理选择性接收模式。通过在单一的接收端框架内连接模态对比、制造容忍度和环形空间滤波，本工作建立了一条拓扑辅助的途径，使LiDAR在宽带背景照明和实际结构公差条件下能够实现抗噪声接收。## 章节摘要### 方法所提出的构型使用螺旋光子阵列产生涡旋场，用于接收端空间滤波，如图1所示。该阵列对入射光场施加螺旋相位调制，产生具有环形强度分布的携带OAM的涡旋光束。在接收端滤波模型中，该环形分布与集中分布于中心的类艾里斑背景分量之间的对比定义了空间模式基。### 仿真与讨论基于螺旋阵列涡旋场模型，我们在三种代表性扰动和互补的外部像差研究下，分析了光场的鲁棒性以及其与建模背景分量的空间可分性。首先，我们研究了聚焦噪声分量的艾里斑半径在宽波长范围（Δλ）内的变化情况。其次，我们评估了螺旋光子阵列中径向位置偏差（Δρ）对所生成涡旋场的影响。### 结论本研究确立了由螺旋光子阵列产生的环形光学涡旋场作为LiDAR信号滤波的物理选择性接收模式。在标量衍射框架内，分析连接了涡旋生成、回波传播和环形空间滤波，表明贝塞尔型涡旋回波和透镜聚焦的宽带背景分量占据接收焦面上的不同区域。涡旋场形成暗心环形分布，而……### CRediT作者贡献声明**马力（Li Ma）**：写作——审阅与编辑、项目管理、方法论、形式化分析。**王英（Ying Wang）**：写作——初稿撰写、可视化、软件、数据管理。**法尔汉·阿齐姆（Farhan Azeem）**：写作——审阅与编辑、验证。**赵博（Bo Zhao）**：方法论、形式化分析。**高亚茹（Yaru Gao）**：写作——审阅与编辑、指导、概念构思。