微波凝视技术是指在雷达平台与目标相对静止的情况下,进行长时间持续观测,通过调制接收天线波束获取分辨单元信息。传统的凝视平台如实孔径雷达,发射天线波束沿相位中心对称,故正视方向上与雷达距离相等的点无法被分辨;发射波束的最大增益为单峰形状,只能获取一个点目标的散射信息,这些缺点带来了雷达性能上的不足。为了区分与雷达距离相等的点目标,以及获取最大增益区域内多个点目标的信息,一种可行的思路是将波束调制为非对称分布的多峰形状。而通过研究发现,不同阶的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)有将波束调控为非对称分布且为多峰形状的潜力。OAM的概念最早应用于光学,光子可同时具有自旋角动量和轨道角动量,分别类似于地球的自转与公转。1992年,荷兰科学家Allen提出拉盖尔高斯波束(波矢可正交分解于传播向和与传播轴垂直的横截面)具有轨道角动量,自此掀起了轨道角动量的研究热潮。携带OAM的波束具有方位向相位因子exp(-il?),波前兼有中空强度和涡旋相位,因此也称为涡旋波束。在迄今为止的研究中,涡旋波束已被证明在光学,无线射频,雷达目标识别具有巨大的应用前景,其中利用轨道角动量制造光镊已经是成熟的技术并获得广泛应用,研究者利用涡旋波束获得超越瑞利衍射极限的光束,相应成果获2014年诺贝尔化学奖,而光镊技术的发明者也因其突出贡献获2018年诺贝尔物理学奖;在无线射频领域,由于携带不同整数阶OAM的涡旋波束相互正交,因此被认为具有增加信道容量的能力,相应的通信技术也已是研究热点;由于相位因子exp(-il?)的存在,研究者猜测涡旋波束具有方位向的成像能力,相应的雷达成像技术也正在探索当中。围绕涡旋波束在微波凝视技术中的应用,文章将主要进行波束生成,非对称赋形,波束准直,和回波分析方面的工作,主要内容概述如下:1.基于特定相位板和阵列天线,通过仿真实验观测携带不同阶数OAM的涡旋波束,归纳出幅度分布和能量分布的变化情况。并且通过巧妙的设计实现波束内能量非均匀分布的目的。2.在第一阶段的实验中,研究发现涡旋波束存在远场发散的特性。通过数值仿真和改变阵列天线排布方式,减小了波束的发散角,为涡旋波束应用于凝视成像提供良好的思路。3.在总结第一阶段和第二阶段的实验后,文章开始研究涡旋波束与目标的相互作用。对相互作用后的场强图进行数学分析得出其OAM谱线图,通过改变目标与波束的大小关系,以及目标位置探究目标对谱线图的影响。本文以微波凝视技术对特定形状波束的需求为背景,结合新兴的涡旋波束,提出了完备的基于轨道角动量进行微波凝视探测的方法。从波束生成与非对称赋形,再到波束准直与回波分析,都有完备的数学原理以及相应的仿真验证,可为后续的研究提供良好的借鉴。