用于旋转目标探测的集成太赫兹涡旋光束发射器。资料来源：Jingya Xie, USST

你可能没有意识到，多普勒效应在我们的生活中无处不在，从用雷达追踪车速到定位天空中的卫星。多普勒效应的原理是，当信号源（如雷达信号）和探测器相对运动时，电波的频率会发生变化。然而，传统的雷达系统在试图探测与其雷达信号成直角运动的物体时却遇到了障碍。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靠线性波，还使用具有轨道角动量（OAM）的螺旋形电磁波。这些特殊的 "涡旋 "波具有螺旋扭曲，当遇到旋转物体时会产生明显的旋转多普勒效应。

据《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志报道，为了更好地识别和探测这些旋转多普勒效应，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，利用了太赫兹（THz）波。

据文章通讯作者、美国科学与技术学院教授朱一鸣介绍："据我们所知，这项研究首次展示了专为探测旋转目标而设计的集成式太赫兹涡旋光束发射器。

太赫兹波非常适合高分辨率雷达成像。就频率而言，太赫兹波介于微波和红外波之间，具有穿透各种材料的独特能力，同时将损坏风险降至最低。然而，尽管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，如效率低和不稳定性问题。

OAM 模式 +1 和 OAM 模式 -1 的转速测量结果 (a)。红点为测量数据，蓝色实线为理论值。注：δ 为绝对误差。资料来源：Jingya Xie，USST。

精确定位旋转速度
为了研究实用的可调太赫兹涡旋发射器和相应的检测方案，研究小组开发了一种新方法，将集成的太赫兹发射器和带正负电荷的涡旋束结合在一起。通过操纵这些涡流束的频率，他们可以产生雷达信号，准确测量旋转物体的速度。这一突破为精确定位物体的旋转速度提供了一种方法，最大误差仅为 2%左右。

他们的设计涉及操纵频率，以获得光束发射器腔体中的不同共振，从而产生具有±1拓扑电荷的涡旋光束。这些漩涡光束随后照射到旋转物体上，由此产生的光波回波可直接被线性极化天线接收。通过有效识别和检测频谱内的旋转多普勒效应，可以准确量化物体的旋转速度。

据报道，研究小组还克服了一个与极化有关的棘手问题，使这一雷达系统非常适合探测太赫兹频率范围内的旋转。

这项创新的雷达技术为广泛的应用提供了令人兴奋的可能性。它不仅有可能增强雷达目标探测能力，还可能为战术军事防御带来新的反制系统。此外，它还具有成本效益和可扩展性，这意味着我们可能会比想象中更早地看到这种尖端技术的应用。

参考资料

Jingya Xie et al, Integrated terahertz vortex beam emitter for rotating target detection, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.6.066002

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