时间反演系统实现方案及其关键器件研究

发布时间：2018-09-05 15:02

【摘要】：时间反演技术具有时空同步聚焦特性,自2004年被引入电磁学领域后受到研究学者们的广泛关注,并在超宽带电磁波通信、雷达探测、成像等领域中得以理论应用。微波时间反演电磁信号的难以获取是阻碍时间反演系统走向实际应用的主要因素,本学位论文以时间反演系统实现方案及其关键器件为研究课题,主要研究内容如下:第一部分主要对基于模拟信号处理技术的时间反演镜实现方案展开了研究。首先,利用啁啾色散延迟线,提出基于傅里叶变换理论和改进的时间透镜系统两种时间反演波形变换系统方案,并分别进行了理论分析、数值计算和协同仿真实验证实。相较于传统的基于啁啾色散延迟线的时间反演波形变换系统,本文提出的两种方案具有更高的时隙-带宽乘积,系统能够处理的输入信号的时间更长、带宽更宽,系统结构更为稳定,为实物实现模拟信号时间反演系统提供了理论和数值基础。其次,利用瞬变媒质和瞬时耦合技术,本文还介绍了两种基于瞬变系统的时间反演波形变换系统方案,并通过理论分析和数值计算分别验证了方案可行性。文中还着重分析了利用瞬时耦合/抓拍的概念来获取时间反演电磁信号的方法,利用数值软件MATLAB和ADS验证了实验方案的可操作性,并对其进行了相关实验设置。本文提出的四种方案为实现高效、实时时间反演镜提供了极具参考价值的研究成果。第二部分主要对基于啁啾色散延迟线的波形变换系统进行了拓展研究。以宽频带、小型化、低损耗为目标,首先分析了系统核心器件——啁啾色散延迟线的设计方案,并分别介绍了基于特征阻抗调制理论、复合左右手传输线(CRLH)理论以及微带色散特性的设计方法,得到了多个满足要求的色散延迟线结构,并在文中的多个系统中得以应用。此外,基于线性色散延迟线和波形变换系统,首次在微波频段提出了可用于保密通信的时域匿迹/解密系统,通过理论推导、数值计算以及结合实际设计的啁啾色散延迟线的实验分析对此系统进行了验证。相比于传统的保密通信系统,由于还需对单纯解密后的信号再进行一次时间反演操作,因此该系统对隐匿的时域事件有着双重保护的作用,在通信过程中更加安全可靠,有着重要的研究意义和价值。最后,在时域匿迹系统的基础上,本文提出了一种基于时间反演的信息隐藏式无线传输方法,并通过实验验证了此方案可利用色散延迟线完成对加载信息的隐匿和解密,且系统并不要求其中的色散结构提供线性群时延响应。因此该方案能够简化时域匿迹的系统结构,避免线性调制系统中的易探测、易破解、易分析的缺陷,进而增强保密通信的安全可靠性。第三部分主要对基于时间反演技术的超分辨率聚焦和成像探测展开了研究。首先利用一种能为凋落波提供传播渠道的规则排列的金属丝阵列,通过改变时间反演镜的信号激励方式或金属丝阵列的摆放方式,证实了在时间反演技术的支持下,不仅能在原地实现对目标天线发射的源信号的提取并突破衍射极限成像。还能在异于目标天线的位置实现超分辨率成像,最佳聚焦效果达到了λ/14。这种成像结构对异地恢复和提取源信号、远场超分辨率成像以及无损探测都有着重要的研究意义。此外,通过在时间反演镜天线阵列后引入色散馈电网络,本论文提出了一种新型的增强时间反演探测成像效果的方法,并分别在低介电常数的复杂环境以及人体复杂色散环境中分别进行了理论分析和数值计算,验证了此方法能够降低周围环境散射体的影响,增强目标处的聚焦效果。相较于传统的时间反演成像方案,本方法不需要对目标的位置进行预估计、不需要对接收到的信号进行复杂的后处理操作、能够简化探测步骤,增强探测结果。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441

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