一種專門用于探測旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的集成太赫茲渦旋光束發(fā)射器

你可能沒有意識(shí)到，但多普勒效應(yīng)在我們的生活中無處不在，從用雷達(dá)追蹤汽車的速度到定位天空中的衛(wèi)星。這一切都與波在源（如雷達(dá)信號(hào)）和探測器相對運(yùn)動(dòng)時(shí)如何改變頻率有關(guān)。然而，當(dāng)試圖探測與雷達(dá)信號(hào)成直角移動(dòng)的物體時(shí)，傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)遇到了障礙。這一限制促使研究人員探索一種全新的方法。

想象一下，一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)不僅依賴于線性波，而是使用具有軌道角動(dòng)量（OAM）的螺旋電磁波。這些特殊的“渦旋”波具有螺旋扭曲，當(dāng)它們遇到旋轉(zhuǎn)物體時(shí)，會(huì)引入旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)。

據(jù)《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）報(bào)道，為了提高對這些旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的識(shí)別和檢測，上海理工大學(xué)（USST）的研究人員通過開發(fā)一種集成太赫茲渦旋光束發(fā)射器來利用太赫茲（THz）波。

據(jù)該文章的通訊作者、上海理工大學(xué)教授Yiming Zhu介紹：“據(jù)我們所知，這項(xiàng)研究首次展示了專門用于探測旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的集成太赫茲渦旋光束發(fā)射器?！?/p>

太赫茲波特別適合高分辨率雷達(dá)成像。就頻率而言，它們介于微波和紅外波之間，具有穿透各種材料的獨(dú)特能力，同時(shí)具有最小的損壞風(fēng)險(xiǎn)。然而，雖然太赫茲波顯示出巨大的前景，但它們也面臨著自身的一系列挑戰(zhàn)，如低效率和不穩(wěn)定問題。

OAM模式+1的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果(a)和OAM模式-1的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果(b)。轉(zhuǎn)速從251rad/s到628rad/s。紅色點(diǎn)是測量數(shù)據(jù)，藍(lán)色實(shí)線是理論值。注：δ是絕對誤差。

精確定位轉(zhuǎn)速

研究小組調(diào)查了實(shí)用和可調(diào)的太赫茲渦旋發(fā)射器的可能性以及相應(yīng)的檢測方案，開發(fā)了一種將集成太赫茲發(fā)射器和渦旋光束與正負(fù)電荷相結(jié)合的新方法。通過操縱這些渦旋光束的頻率，他們可以產(chǎn)生精確測量旋轉(zhuǎn)物體速度的雷達(dá)信號(hào)。這一突破提供了一種以極高的精度確定物體旋轉(zhuǎn)速度的方法，最大誤差范圍僅為2%左右。

他們的設(shè)計(jì)涉及操縱頻率以訪問光束發(fā)射器腔中的不同共振，從而能夠產(chǎn)生具有±1拓?fù)潆姾傻臏u旋光束。這些渦旋光束隨后照射旋轉(zhuǎn)物體，產(chǎn)生的光波回波可以直接由線偏振天線接收。通過有效識(shí)別和檢測頻譜內(nèi)的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)，可以精確量化物體的旋轉(zhuǎn)速度。

據(jù)報(bào)道，該團(tuán)隊(duì)還克服了與偏振有關(guān)的一個(gè)棘手問題，使該雷達(dá)系統(tǒng)非常適合探測太赫茲頻率范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

這種創(chuàng)新的雷達(dá)技術(shù)為各種應(yīng)用開辟了令人興奮的可能性。它不僅具有增強(qiáng)雷達(dá)目標(biāo)檢測的潛力，而且還可以為戰(zhàn)術(shù)軍事防御引入新的對抗系統(tǒng)。此外，它具有成本效益和可擴(kuò)展性，這意味著我們可能會(huì)比我們想象得更早地看到這種尖端技術(shù)的部署。

審核編輯：湯梓紅