CN108322267A - 测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统 - Google Patents

测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统，其中该方法包括：采集射频信号的相位信息，获取环形相位函数；根据环形相位函数计算射频信号的两个轨道角动量OAM态。本发明提供的技术方案，可以通过旋转平台带动接收天线绕转动轴转动，采集整个接收圈的相位信息，使处理器根据这些相位信息获得环形相位函数，并根据环形相位函数计算出射频信号的两个OAM态，实现射频信号双重叠加OAM态的测量。

Description

测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统。
背景技术
在量子光学中，角动量作为一个基本物理量可以分为自旋角动量(Spin AngularMomentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)；涡旋电磁波即拥有螺旋形相位波束的电磁波。1992年，Allen提出拉盖尔-高斯涡旋光的方位角项包含有OAM态分量；2007年，Thide通过仿真分析指出，在射频频段，射频涡旋电磁波具有与拉盖尔-高斯涡旋光相似的性质，同样包含OAM态分量。射频涡旋电磁波(即射频信号)主要应用于无线通信领域，无限的OAM本征态在理论上可以提供无限多个OAM复用信道，因此，包含OAM态分量的射频信号为无线通信提供了广阔的前景。
在射频信号通信当中，OAM态的测量是很重要的一环。近几年，使用OAM波的螺旋相位面进行OAM态的测量已被提出并使用。2010年，Mohammadi详细阐述和分析了这种相位梯度法，并指出这种方法在合适的条件下，能准确地测出单个OAM态，并受波束生成时的不对称性影响较小。该方法的关键在于在垂直于传播轴，并以传播轴为中心的接收圈上取两个足够近的点，通过测量相位差的方式来识别OAM态。
然而，上述这种方法只能测量单个的OAM态，并不能测量不同OAM态的射频信号叠加传输时形成的叠加态。而在无线通信当中，为了进行OAM复用，便不可避免地需要进行双重叠加态的射频信号传输，因此，对射频信号双重叠加态的测量具有相当的实用价值。
发明内容
本发明提供一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统，用以实现射频信号双重叠加OAM态的测量。
一方面，本发明实施例提供一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法，包括：
采集射频信号的相位信息，获取环形相位函数；
根据环形相位函数计算射频信号的两个轨道角动量OAM态。
在本发明的一实施例中，根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态，具体包括：
根据环形相位函数判断射频信号的两个OAM态之和是否为零；
若是，则根据环形相位函数的跳变次数计算射频信号的两个OAM态；
若否，则根据环形相位函数计算环形相位梯度函数；
根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态。
在本发明的一实施例中，根据环形相位函数判断射频信号的两个OAM态之和是否为零，具体包括：
若环形相位函数取值在两个相差180°的值之间均匀跳变，则射频信号的两个OAM态之和为零；否则，射频信号的两个OAM态之和不为零。
在本发明的一实施例中，根据环形相位函数的跳变次数计算射频信号的两个OAM态，具体包括：
射频信号的两个OAM态的符号相反，绝对值为环形相位函数取值在两个相差180°的值之间的跳变次数的一半。
在本发明的一实施例中，根据环形相位函数计算环形相位梯度函数，具体包括：
根据公式计算环形相位梯度函数l(θ)；
其中，和为环形相位函数，θ和Δθ为方位角，i为虚数单位。
在本发明的一实施例中，根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态，具体包括：
根据环形相位梯度函数的相位梯度平均值确定两个OAM态中绝对值较小的OAM态；
根据环形相位梯度函数的波峰因数获得两个OAM态之差，其中，波峰因数的绝对值为环形相位梯度函数的峰值数，波峰因数的符号表示环形相位梯度函数的峰的朝向；
根据绝对值较小的OAM态和两个OAM态之差确定两个OAM态中绝对值较大的OAM态。
在本发明的一实施例中，根据环形相位梯度函数的相位梯度平均值确定两个OAM态中绝对值较小的OAM态，具体包括：
根据计算两个OAM态中绝对值较小的OAM态l1。
在本发明的一实施例中，根据绝对值较小的OAM态和两个OAM态之差确定两个OAM态中绝对值较大的OAM态，具体包括：
根据l2＝l1-m计算两个OAM态中绝对值较大的OAM态l2；
其中，l1表示绝对值较小的OAM态；m表示波峰因数，为两个OAM态之差；当环形相位梯度函数的所有峰朝上时，m>0，当环形相位梯度函数的所有峰朝下时，m<0。
另一方面，本发明实施例提供一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的系统，包括：旋转平台、接收天线、支架和处理器；
旋转平台装载在支架上，接收天线搭载在旋转平台上，处理器与接收天线连接；
旋转平台具有旋转轴，旋转平台可绕旋转轴转动；
接收天线用于在旋转平台的带动下沿接收圈采集射频信号的相位信息；
处理器用于执行上述方法实施例。
在本发明的一实施例中，旋转平台上以转动轴为中心标有多个同心接收圈；旋转平台上还标有角度刻度线，角度刻度线以旋转轴为中心呈向外辐射状。
本发明实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法及系统，可以通过旋转平台带动接收天线绕转动轴转动，采集整个接收圈的相位信息，使处理器根据这些相位信息获得环形相位函数，并根据环形相位函数计算出射频信号的两个OAM态，实现射频信号双重叠加OAM态的测量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的系统的结构示意图；
图2为图1中旋转平台的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的系统测量射频信号双重叠加轨道角动量的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例进行描述。
图1为本发明实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的系统包括：旋转平台1、接收天线2、支架3和处理器4；其中，旋转平台1装载在支架3上，接收天线2搭载在旋转平台1上，处理器4与接收天线2连接；旋转平台1具有旋转轴11，旋转平台1可绕旋转轴11转动；接收天线2用于在旋转平台1的带动下沿接收圈12采集射频信号的相位信息，处理器4用于执行本申请的方法实施例(后续将详细说明)，以实现测量射频信号的双重叠加OAM态。
具体的，旋转平台1的旋转轴11可以设置在旋转平台1的中心位置，旋转平台1可以通过旋转轴11装载在支架3上；接收天线2可以搭载在旋转平台1的任意位置，并在旋转平台1的带动下绕旋转轴11转动，接收整个接收圈12上的相位信息。
图2为图1中旋转平台的结构示意图，如图2所示，本实施例中，在旋转平台1上，可以以转动轴为中心标有多个同心接收圈12(即不同半径的圆)，在实际测量时，可以根据被测射频信号波阵面的大小选取合适的接收圈12半径。
另外，旋转平台1上还可以标有角度刻度线13，以用于方位角的确定。角度刻度线13以旋转轴11为中心呈向外辐射状。
图3为本发明实施例提供的系统测量射频信号双重叠加轨道角动量的结构示意图，为了简洁清楚，图中未示出支架3和处理器4。如图3所示，在进行测量时，先将旋转平台1的旋转轴11对准被测射频信号的传播轴，选取好接收圈12半径后，将接收天线2安装在旋转平台1上；然后可以设定一个旋转角度步进，通过手动或机械传动的方式转动旋转平台1，使接收天线2沿接收圈12以一定的采样率采集射频信号的相位信息；最后通过处理器4将从接收天线2获取的相位信息进行处理，获得环形相位函数后，根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态(具体实现过程可以参见下述方法实施例)。
相比现有技术中采用相位梯度法只能测量单个射频OAM态，本实施例提供的系统，可以通过旋转平台1带动接收天线2绕转动轴转动，采集整个接收圈12的相位信息，该接收圈12上包含了完整的OAM信息，根据这些相位信息获得的环形相位函数可以计算出射频信号的两个OAM态。
本实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的系统，可以通过旋转平台带动接收天线绕转动轴转动，采集整个接收圈的相位信息，使处理器根据这些相位信息获得环形相位函数，并根据环形相位函数计算出射频信号的两个OAM态，实现射频信号双重叠加OAM态的测量。
图4为本发明实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法的流程示意图，本实施例提供的方法可以采用上述图1所示实施例提供的系统实现。如图4所示，本实施例提供的方法包括：
S101、采集射频信号的相位信息，获取环形相位函数。
具体的，可以通过旋转平台1带动接收天线2沿接收圈12采集射频信号的相位信息，然后通过处理器4获取接收圈12采集的射频信号的相位信息后进行处理，获得环形相位函数
对于一个双重叠加OAM态(l1，l2)的射频信号，它在接收圈上的电场可表示为：
其中，AC为射频信号(涡旋电磁波)的幅度值，l1和l2为轨道角动量的本征值，θ为方位角，i为虚数单位。AC在计算相位时可以忽略，因此可表示为：
S102、根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态。
具体的，环形相位函数中包含了完整的OAM信息，对环形相位函数进行求解，即可计算出射频信号的两个OAM态(l1，l2)。
图5为本发明实施例提供的根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态的流程示意图，如图5所示，步骤S102根据环形相位函数计算射频信号的两个OAM态，具体包括：
S201、根据环形相位函数判断射频信号的两个OAM态之和是否为零；若是，则执行步骤S202；若否，则执行步骤S203。
本实施例中，获得环形相位函数后，可以先观察的取值，判断射频信号的两个OAM态之和是否为零，然后再根据和为零与和不为零两种情况采用不同的处理方法计算射频信号的两个OAM态。
具体的，若环形相位函数取值在两个相差180°的值之间均匀跳变，则说明这两个OAM态互为相反数，即射频信号的两个OAM态之和为零，可以执行步骤S202计算射频信号的两个OAM态；否则，说明这两个OAM态不是互为相反数，即射频信号的两个OAM态之和不为零，需要执行步骤S203来继续计算其环形相位梯度函数。
S202、根据环形相位函数的跳变次数计算射频信号的两个OAM态。
若射频信号的两个OAM态之和为零，则可以根据环形相位函数的跳变次数计算射频信号的两个OAM态(l1，l2)。
具体的，定义环形相位函数取值在两个相差180°的值之间的跳变次数为n，则射频信号的两个OAM态的符号相反，绝对值均为即，
S203、根据环形相位函数计算环形相位梯度函数。
若射频信号的两个OAM态之和为零，则可以先根据环形相位函数计算环形相位梯度函数l(θ)。
具体的，对求导即可得到l(θ)。由于实际采样的限制，可以计算l(θ)的近似值，即：
其中，和为环形相位函数，Δθ为方位角。
对于单个OAM态的射频信号，其相位在接收圈上随着方位角均匀变化，即其相位梯度在接收圈上恒定不变，只测量一处的相位梯度便可。对于双重叠加态的射频信号，其相位变化不均匀，相位梯度不恒定，因此需要测量整个接收圈上的相位梯度。为了足够近似，夹角Δθ越小越好。
其中，和的获得方法有多种：
第一种：通过接收天线2沿接收圈12测量两圈，分别获取和其中，两次测量的接收天线2方位角相差Δθ。具体测量时，第一次测量第二次改变初始角度Δθ，保持其他条件(如接收圈半径)不变，测量
第二种：在旋转平台1上搭载两个接收天线2，通过旋转平台1带动两个接收天线2沿接收圈12测量一圈，在一圈内同时获取和其中，两个接收天线2的方位角相差Δθ。
第三种：通过接收天线2沿接收圈12测量一圈，获取这一圈的和
其中，第三种方法最简单，然而其获得的有效数据量也最小，而且夹角Δθ是旋转步进角的整数倍，可能会比较大，导致测量准确度较低；相对来说，第一种和第二种方法测量的结果较为精确。在实际测量时，可以根据应用场景和需求选择具体的测量方法。
S204、根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态。
在根据环形相位函数计算环形相位梯度函数l(θ)后，即可根据环形相位梯度函数计算出射频信号的两个OAM态(l1，l2)。
图6为本发明实施例提供的根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态的流程示意图，如图6所示，步骤S204根据环形相位梯度函数计算射频信号的两个OAM态，具体包括：
S301、根据环形相位梯度函数的相位梯度平均值确定两个OAM态中绝对值较小的OAM态。
具体的，设两个态中绝对值较小的态为l1，则经过推导可知相位梯度函数在[0,2π)内的平均值等于l1，即：
S302、根据环形相位梯度函数的波峰因数获得两个OAM态之差。
具体的，可以通过观察l(θ)的函数图像来得到两个OAM态的差值。定义峰值因数m，其绝对值为环形相位梯度函数图像中的峰值数，符号表示环形相位梯度函数的峰值朝向，当所有峰朝上时，m>0；当所有峰朝下时，m<0。则m正好等于两个OAM态之差。
S303、根据绝对值较小的OAM态和两个OAM态之差确定两个OAM态中绝对值较大的OAM态。
具体的，根据上述步骤计算出绝对值较小的OAM态和两个OAM态之差后，即可计算出两个OAM态中绝对值较大的OAM态，即：
l2＝l1-m (5)
至此，计算出了射频信号的两个OAM态(l1，l2)。
本实施例提供的测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法，通过采集整个接收圈的相位信息，获得环形相位函数后，根据环形相位函数计算出射频信号的两个OAM态，实现了射频信号双重叠加OAM态的测量。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的方法，其特征在于，包括：
采集射频信号的相位信息，获取环形相位函数；
根据所述环形相位函数计算所述射频信号的两个轨道角动量OAM态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位函数计算所述射频信号的两个OAM态，具体包括：
根据所述环形相位函数判断所述射频信号的两个OAM态之和是否为零；
若是，则根据所述环形相位函数的跳变次数计算所述射频信号的两个OAM态；
若否，则根据所述环形相位函数计算环形相位梯度函数；
根据所述环形相位梯度函数计算所述射频信号的两个OAM态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位函数判断所述射频信号的两个OAM态之和是否为零，具体包括：
若所述环形相位函数取值在两个相差180°的值之间均匀跳变，则所述射频信号的两个OAM态之和为零；否则，所述射频信号的两个OAM态之和不为零。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位函数的跳变次数计算所述射频信号的两个OAM态，具体包括：
所述射频信号的两个OAM态的符号相反，绝对值为所述环形相位函数取值在两个相差180°的值之间的跳变次数的一半。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位函数计算环形相位梯度函数，具体包括：
根据公式计算所述环形相位梯度函数l(θ)；
其中，和为环形相位函数，θ和Δθ为方位角，i为虚数单位。
6.根据权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位梯度函数计算所述射频信号的两个OAM态，具体包括：
根据所述环形相位梯度函数的相位梯度平均值确定所述两个OAM态中绝对值较小的OAM态；
根据所述环形相位梯度函数的波峰因数获得所述两个OAM态之差，其中，所述波峰因数的绝对值为所述环形相位梯度函数的峰值数，所述波峰因数的符号表示环形相位梯度函数的峰的朝向；
根据所述绝对值较小的OAM态和所述两个OAM态之差确定所述两个OAM态中绝对值较大的OAM态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形相位梯度函数的相位梯度平均值确定所述两个OAM态中绝对值较小的OAM态，具体包括：
根据计算所述两个OAM态中绝对值较小的OAM态l1。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述绝对值较小的OAM态和所述两个OAM态之差确定所述两个OAM态中绝对值较大的OAM态，具体包括：
根据l2＝l1-m计算所述两个OAM态中绝对值较大的OAM态l2；
其中，l1表示绝对值较小的OAM态；m表示波峰因数，为两个OAM态之差；当环形相位梯度函数的所有峰朝上时，m>0，当环形相位梯度函数的所有峰朝下时，m<0。
9.一种测量射频信号双重叠加轨道角动量的系统，其特征在于，包括：旋转平台、接收天线、支架和处理器；
所述旋转平台装载在所述支架上，所述接收天线搭载在所述旋转平台上，所述处理器与所述接收天线连接；
所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转平台可绕所述旋转轴转动；
所述接收天线用于在所述旋转平台的带动下沿所述接收圈采集射频信号的相位信息；
所述处理器用于执行上述权利要求1-8任一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述旋转平台上以所述转动轴为中心标有多个同心接收圈；所述旋转平台上还标有角度刻度线，所述角度刻度线以所述旋转轴为中心呈向外辐射状。
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