革命性的雷达：集成太赫兹发射器，用于精确检测旋转目标

你可能没有意识到，但多普勒效应在我们的生活中无处不在，从用雷达追踪汽车的速度到定位天空中的卫星。这一切都与波在源（如雷达信号）和探测器相对运动时如何改变频率有关。然而，当试图探测与雷达信号成直角移动的物体时，传统雷达系统遇到了障碍。这一限制促使研究人员探索一种全新的方法。

想象一下，一个雷达系统不仅依赖于线性波，而是使用具有轨道角动量（OAM）的螺旋电磁波。这些特殊的“涡旋”波具有螺旋扭曲，当它们遇到旋转物体时，会引入旋转多普勒效应。

据《先进光子学》报道，为了提高对这些旋转多普勒效应的识别和检测，上海理工大学（USST）的研究人员通过开发一种集成太赫兹涡旋光束发射器来利用太赫兹（THz）波。

据该文章的通讯作者、上海理工大学教授Yiming Zhu介绍：“据我们所知，这项研究首次展示了专门用于探测旋转目标的集成太赫兹涡旋光束发射器。”

太赫兹波特别适合高分辨率雷达成像。就频率而言，它们介于微波和红外波之间，具有穿透各种材料的独特能力，同时具有最小的损坏风险。然而，虽然太赫兹波显示出巨大的前景，但它们也面临着自身的一系列挑战，如低效率和不稳定问题。

OAM模式+1的转速测量结果（a）和OAM模式-1的转速测量结果（b）。转速从251 rad/s到628 rad/s。红色点是测量数据，蓝色实线是理论值。注：δ是绝对误差。

精确定位转速

研究小组调查了实用和可调的太赫兹涡旋发射器的可能性以及相应的检测方案，开发了一种将集成太赫兹发射器和涡旋光束与正负电荷相结合的新方法。通过操纵这些涡旋光束的频率，他们可以产生精确测量旋转物体速度的雷达信号。这一突破提供了一种以极高的精度确定物体旋转速度的方法，最大误差范围仅为2%左右。

他们的设计涉及操纵频率以访问光束发射器腔中的不同共振，从而能够产生具有±1拓扑电荷的涡旋光束。这些涡旋光束随后照射旋转物体，产生的光波回波可以直接由线偏振天线接收。通过有效识别和检测频谱内的旋转多普勒效应，可以精确量化物体的旋转速度。

据报道，该团队还克服了与偏振有关的一个棘手问题，使该雷达系统非常适合探测太赫兹频率范围内的旋转。

这种创新的雷达技术为各种应用开辟了令人兴奋的可能性。它不仅具有增强雷达目标检测的潜力，而且还可以为战术军事防御引入新的对抗系统。此外，它具有成本效益和可扩展性，这意味着我们可能会比我们想象得更早地看到这种尖端技术的部署。

相关链接：https://phys.org/news/2023-10-revolutionizing-radar-thz-emitter-precise.html

相关论文：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.5.6.066002