基于时间反演的高精度电磁赋形场算法研究
发布时间：2020-08-04 07:43
【摘要】：赋形是指赋予某物质或物体以特定的几何形状,通常用于形体模拟、场景再现或其他特殊用途,在众多学科领域均有着极为重要的应用。场赋形的实现关键技术在于对场内波的产生和传播进行相关控制。如何在空间和时间上实现对波的任意产生与控制,一直都是各领域备受关注的研究课题。在声波场,水波场以及电磁场等几个重要的物理场中,声波场和水波场的任意产生与控制目前均已取得重大突破。随着电磁波的应用范围不断扩大,特别是在农业、工业、化学、能源、生物、医学、以及保密通信等领域中的应用,当下急需场强分布可控且具有特定几何形状的高精度电磁波赋形场,而如何有效的进行电磁波空间场控制以达到预期的应用目的成了电磁学领域中最具挑战性的科学难题之一。目前对电磁波的传播和空间调控较成熟的两种方法分别是借助天线或天线阵以及电磁超材料。其中,天线或天线阵主要通过方向图而电磁超材料主要通过材料的奇异特性来实现对电磁波的传播控制。两种方法针对特定的场均需要特定的结构或材料,设计不灵活,不具备普适性。针对存在的技术难题与现有方法的局限性,本论文基于时间反演(Time Reversal,TR)空时聚焦传输原理和自适应传输特性,提出了一种新型的电磁赋形场产生方法,并通过现代智能优化算法实现了产生高精度电磁赋形场的优化目标。本论文的主要研究内容概括如下:首先,从时变电磁场的惟一性定理出发,证明了波动方程的时间对称性和格林函数的互易性,并对TR电磁波的空-时聚焦原理进行了理论分析;其次,基于电磁场的矢量叠加原理,提出了一种自由空间,密闭腔体或任意电磁互易环境中均适用的电磁赋形场产生方法,阐述了该方法与传统方法相比所具有的灵活性和普适性,并进一步分析了其存在的问题;最后,分别以单点聚焦场的主副瓣比和“一”字形赋形场的场强均匀分布作为优化目标,通过以遗传算法和单纯形法为代表的两种智能优化算法,对TR回传信号进行设计,最终实现了高精度单点聚焦场和“一”字形均匀赋形场,并通过仿真结果分析了算法的准确性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN011
【图文】：
(a) (b) (c)图 1-1 三种声场势阱[5]。(a) 孪生场；(b) 涡旋场；(c) 瓶状场 水波场与声学场不相类似，水波场理论讨论重力场中具有自由面和不可压理想流动，因此，水波是横波和纵波合成的波。为了研究海上船舶综合运动规律 年，日本科学家 Naito 等人利用水波能量吸收理论和造波机的蛇形运动模式
(c) (d)图 1-2 系统装置图与赋形水波场。(a) AMOEBA 系统[6]；(b) “S”形水波场[6]；(c) 心形水波场[7]；(d) 五角星形水波场[7]1.2.3 光场光波可以看成是频率范围很高的电磁波，它的传播与控制主要基于 19 世纪 60年代麦克斯韦提出的光的电磁理论。目前，针对光场的调控研究主要依赖于空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM），它的基本原理是通过对光波的某些特性（如相位、振幅、频率以及偏振态等）的一维或二维分布进行空间和时间的变换和调制，实现对光场空间分布的调控。如图 1-3 所示，2012 年乌得勒支大学的Mosk 等人在《NATURE》上发表文章[10],通过 SLM 实现了光波在散射环境下的聚焦。隔年，Hillman 团队通过 SLM 进行数字光学的相位共轭操作，实现了在混浊介质中的二维成像[11]。
(a) (b)图 1-3 平面光波通过散射介质后的光场图案[10]。(a) 无 SLM 控制；(b) 有 SLM 控制(a) (b)图 1-4 SLM 控制光波实现目标的二维成像[11]。(a) 系统装置图；(b) 成像效果图1.2.4 电磁场
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN011
【图文】：
(a) (b) (c)图 1-1 三种声场势阱[5]。(a) 孪生场；(b) 涡旋场；(c) 瓶状场 水波场与声学场不相类似，水波场理论讨论重力场中具有自由面和不可压理想流动，因此，水波是横波和纵波合成的波。为了研究海上船舶综合运动规律 年，日本科学家 Naito 等人利用水波能量吸收理论和造波机的蛇形运动模式
(c) (d)图 1-2 系统装置图与赋形水波场。(a) AMOEBA 系统[6]；(b) “S”形水波场[6]；(c) 心形水波场[7]；(d) 五角星形水波场[7]1.2.3 光场光波可以看成是频率范围很高的电磁波，它的传播与控制主要基于 19 世纪 60年代麦克斯韦提出的光的电磁理论。目前，针对光场的调控研究主要依赖于空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM），它的基本原理是通过对光波的某些特性（如相位、振幅、频率以及偏振态等）的一维或二维分布进行空间和时间的变换和调制，实现对光场空间分布的调控。如图 1-3 所示，2012 年乌得勒支大学的Mosk 等人在《NATURE》上发表文章[10],通过 SLM 实现了光波在散射环境下的聚焦。隔年，Hillman 团队通过 SLM 进行数字光学的相位共轭操作，实现了在混浊介质中的二维成像[11]。
(a) (b)图 1-3 平面光波通过散射介质后的光场图案[10]。(a) 无 SLM 控制；(b) 有 SLM 控制(a) (b)图 1-4 SLM 控制光波实现目标的二维成像[11]。(a) 系统装置图；(b) 成像效果图1.2.4 电磁场
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4 唐z
本文编号：2780251
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