基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置

摘要

本发明公开了基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波信号模态并行分离方法，该方法是：首先，对圆阵列结构天线的各接收阵元并行输出信号经去波束赋处理，变为具有全指向性的、且带有多个模态的涡旋电磁波并行信号；再将去波束处理后的信号以并行方式作为空间正交变换器的输入信号；空间正交变换器对输入信号做关于涡旋电磁波方位角的空间正交变换(即快速傅里叶变换)，得到多模态涡旋电磁波的模态离散谱分布；最后，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带独立调制信号，且已去模态，从而实现空间多模态涡旋电磁波信号模态并行分离与识别。同时，本发明同时公开了基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波信号模态并行分离装置。

主权项

基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行识别与分离方法，其特征在于，首先，均匀圆阵列结构天线的不同阵元在不同的空间方位角上对空间电磁波采样，得到并行多路信号，同时以连续信号方式将空间并行采样信号传递给去赋形器；去赋形器对并行输入信号按照圆阵列波束赋形所使用的权矢量的逆矢量去赋形处理，并将去赋形处理后的信号并行输出给空间正交变换器；然后，空间正交变换器对并行输入信号做关于涡旋电磁波的方位角空间正交变换(即快速傅立叶变换)，得到空间涡旋电磁波的模态离散谱分布(或拓扑核谱分布)；最后，并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量，每一输出分量对应该模态携带独立调制信号，且该输出分量为已去模态的非涡旋信号，从而实现空间多模态涡旋电磁波信号模态并行分离与识别。所述基于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法包括如下步骤：(a)半径为r₀圆周上均匀分布N个同性天线(或阵元)(见“Generation of orbital angular momentum(OAM)radio beams with phased patch array”，Qiang Bai，Alan Tennant，Ben Allen，Masood Ur Rehman，Antennas and Propagation Conference(LAPC)，2013 Loughborough，PP410‑413，以引用的方式将其公开在此)收到的空间多模态涡旋电磁波信号按式(1)，操作，其中式(1)中e_i(z₀，r₀，ω)表示N阵元均匀圆阵列天线不同阵元在不同方位角采集到的空间涡旋电磁波信号，其中h(·)为信道系数，z₀为接收天线与发送天线对齐条件下接收面与发送面的径向距离，r₀为接收阵元距涡旋电磁波传播轴的垂直距离，κ(κ＝ω/c，c＝3×10⁸m/s)为波数，l为涡旋电磁波的模态(或拓扑核)，A_l(t)为不同模态涡旋电磁波携带的幅度信息，ω为载波频率，为不同模态涡旋电磁波携带的相位信息，θ_i(i＝0，1，…，N‑1)为天线阵元空间方位角，为上取整运算符，为下取整运算符；(b)对e_i(z₀，r₀，ω)(i＝0，1，…，N‑1)去赋形处理，由圆阵列波束赋形使用的权矢量的逆进行，按式(2)，${\tilde{e}}_i(z_0,r_0,\omega )=e_i(z_0,r_0,\omega )·w_i^{*},i=0,1,\mathrm{...},N-1---\left(2\right)$操作，其中w_i为第i个涡旋电磁波的波束指向权系数(见“最优阵列处理技术”，Harry L.VanTrees著，汤俊等译，清华大学出版社，2008年1月，ISBN：9787302147602，220‑242页，以引用的方式将其公开在此)，表示w_i的逆(或共轭)；(c)空间正交变换器对N路并行输入信号(i＝0，1，…，N‑1)做关于涡旋电磁波的方位角快速傅立叶变换(即空间正交变换)，按式(3)，操作，实际使用的涡旋波模态l是离散的，故将称为空间涡旋电磁波的模态离散谱分布；(d)空间正交变换器使用的权矢量与式(1)中的系数自然正交互逆，因此是涡旋波信号去模态后的独立调制信号，按式(4)，操作，从而实现多模态涡旋电磁波信号的模态分离。