王元赫,
姜学峰
清华大学航天航空学院航空宇航电子系统实验室 北京 100084
基金项目:国家自然科学基金重点项目(61731011)，广东省科技厅重点项目(2019B010157001)，部委科技基础加强研究项目(JCJQ-ZD-164-12)
详细信息
作者简介:张超：张 超(1978–)，男，陕西城固人，清华大学航天航空学院教授、博士生导师。2005年获清华大学工学博士学位，2006年获日本国家信息学研究所(NII)信息学博士学位。IET会士(IET Fellow)、IEEE高级会员、IEICE高级会员。主要研究方向为涡旋电磁波轨道角动量传输与探测、涡旋微波量子、航空宇航电子系统
王元赫(1997–)，男，江苏涟水人，清华大学航天航空学院在读博士研究生。2019年获得西安电子科技大学通信工程专业学士学位。研究方向为电磁波轨道角动量传输与探测
姜学峰(1995–)，男，天津静海人，清华大学航天航空学院在读博士研究生。2017年获得清华大学电子信息科学与技术学士学位。研究方向为电磁波轨道角动量传输与探测，涡旋微波量子
通讯作者:张超 zhangchao@tsinghua.edu.cn
责任主编：李龙 Corresponding Editor: LI Long①这里指涡旋微波量子具有的内禀OAM (Intrinsic OAM，不随空间坐标系的选择发生相应的变化)[12]。相比之下，统计态涡旋波束利用的是微波量子的外部OAM (Extrinsic OAM)。
②这里不是RCS的标准定义，但与RCS标准定义所反映目标散射性能一致。RCS标准定义见文献[26]。另外，考虑到本文对比参照对象为经典雷达系统，因此没有采用文献[27]中量子RCS的定义，仍采用经典RCS定义。③文献[28]中直接给出了3种具有吸波能力的隐身材料在10 GHz下的相对复介电常数，其他频率下的相对复介电常数需要借助德拜弛豫方程求解，具体方法和参数可参考文献[28]。同时还需考虑到自由电子对复介电常数的贡献，故本文假设三者的K0分别为0.01, 0.02和0.04，具体准确数据需要实验测量得到。④为了便于表示，图2中给出的数值是与隐身材料1的平面波(模态0)等效后向RCS计算值进行归一化后形成的归一化等效后向RCS。
中图分类号:TN95
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出版历程
收稿日期:2021-07-01
修回日期:2021-09-06
网络出版日期:2021-09-09
刊出日期:2021-10-28
Quantum Radar with Vortex Microwave Photons
ZHANG Chao,,WANG Yuanhe,
JIANG Xuefeng
Labs of Avionics, School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Funds:The National Natural Science Foundation of China (61731011), The Science and Technology Key Project of Guangdong Province (2019B010157001), National Defense Science and Technology Basic Research (JCJQ-ZD-164-12)
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Corresponding author:ZHANG Chao, zhangchao@tsinghua.edu.cn
摘要
摘要:电磁波轨道角动量(OAM)量子态指构成电磁波的每个电磁波量子均具有OAM，是涡旋电磁波的重要形态之一。在微波波段，这种电磁波量子称为“涡旋微波量子”。涡旋微波量子与传统平面波微波量子具有不同的物理特性，针对传统吸波材料具有强反射系数，造成雷达散射截面积(RCS)增加，并提升目标回波的接收信号功率和检测概率，是对抗基于吸波材料的隐身目标之利器。该文提出了基于OAM量子态的涡旋微波量子雷达，给出了基本物理架构和数学模型，借助量子电动力学(QED)从理论上分析了涡旋微波量子的高回波功率特性，并通过实验验证了理论分析的正确性。在收发端均采用相同极化方式下，与传统平面波雷达相比实验中回波功率提高约9 dB。同时，配合典型雷达工作参数进行了仿真，明确了涡旋微波量子雷达在接收功率和检测概率等性能指标上的提升，进一步展现了涡旋微波量子针对吸波材料的反隐身能力。
关键词:目标探测/
轨道角动量/
涡旋微波量子/
OAM量子态/
反隐身雷达
Abstract:Quantum Orbital Angular Momentum (OAM) indicates that each Electro-Magnetic (EM) photon of an EM wave carries OAM. In the microwave band, such an EM wave photon is called a vortex microwave photon. Physical properties distinguish between EM waves with vortex and plane wave photons. When illuminating a traditional stealthy target composed of absorbing materials, a vortex microwave photon can achieve higher echo power, thereby improving the Radar Cross Section (RCS), the corresponding receiving signal power, and detection probability. Hence, the vortex microwave photon shows promise in antistealth technology. In this paper, a vortex microwave quantum radar based on the OAM quantum state is proposed. Its basic physical architecture and corresponding mathematical model are given, and the high echo power characteristics of the vortex microwave photon are analyzed using Quantum Electro-Dynamics (QED). The correctness of the theoretical calculation was experimentally verified with an approximate 9 dB improvement in echo power. Moreover, the simulations are performed to clarify the improvement in radar performance, including the receiving power and detection probability, illustrating the capability of the vortex microwave photon when applied to antistealth radar.
Key words:Target detection/
Orbital Angular Momentum (OAM)/
Vortex microwave photon/
Quantum OAM/
Antistealth radar
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