基于远场时间反演的亚波长天线阵列研究

基于远场时间反演, 从信号处理角度对亚波长阵列的超分辨率聚焦特性进行了理论分析. 提出了一种新型的微结构刻蚀亚波长阵列, 通过时间反演聚焦实验表明, 该阵列具有远场超分辨聚焦特性, 各单元间信道相互独立. 将这种亚波长阵列应用在时间反演镜天线上, 通过实验验证了可以获得更好的超分辨率聚焦效果. 所提出的亚波长天线阵列对多天线超宽带无线通信具有潜在的应用价值. 关键词： 时间反演 亚波长 天线阵列 超分辨率     

基于宽带立体超透镜的远场超分辨率成像

为突破传统衍射极限实现远场超分辨率成像,提出了一种微波频段宽带立体超透镜用于目标远场超分辨率成像.该透镜可将携带着目标超分辨率信息的凋落波分量转换为传播波分量辐射到远场,进而可在远场接收这些信息并用于超分辨率成像.分别从频域和时域两方面对该透镜的超分辨率特性进行验证.在频域,利用多重信号分类算法对借助于该结构的扩展目标实现了λ/12的远场超分辨率成像,大幅度提升了成像效果.在时域,结合时间反演技术,验证了带宽提升对空间超分辨率聚焦特性带来的明显优势.     

基于时间反演电磁波的微结构天线的单频点超分辨力聚焦研究

提出了在时间反演技术条件下单频的电磁波信号可以实现超分辨力聚焦这一思路,并基于信道理论推导了该思路的可行性;基于传统的同轴探针结构建立了间距为1/4波长的微结构模型,仿真结果证实了该模型结合时间反演技术在单频信号和宽带信号激励时均可以表现出超分辨力聚焦特性,理论分析和仿真结果为单频以及多频带天线的超分辨力聚焦特性的研究提供了重要的指导作用。     

一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计

基于时间反演电磁波的远场超分辨聚焦特性, 设计了一种亚波长天线阵列, 其天线单元刻蚀有微结构、单元间距为1/20工作波长且信道相互独立. 在保证相似的辐射特性的条件下, 该亚波长天线阵列对比于其他微结构刻蚀所组成的亚波长天线阵列, 具有较好的远场超分辨率聚焦特性. 为基于时间反演的高速率、高质量多天线通信提供了一种有效的终端天线阵列.     

时间反演电磁波超分辨率特性

时间反演电磁波在特定的远场环境下具有超分辨率特性.结合时间反演技术构建具有超分辨率特性的模型进行仿真,对结果分析后筛选出能够实现超分辨率特性的关键因素,可为实用的小型化、多天线无线通信系统的设计提供指导. 关键词： 时间反演电磁波 时间反演技术 超分辨率     

基于反演场扩散消除的时间反演多目标成像技术

基于时间反演腔理论,分析了时间反演场存在的聚焦扩散现象.通过对该现象的分析,提出了利用Clean算法进行单频时间反演场扩散消除,进而实现时间反演多目标成像的技术.全波仿真结果表明,该技术能够消除时间反演场扩散的影响,利用单一频率信号实现多目标的成像.最后,分析了时间反演镜的选取对时间反演场的影响,并在此基础上,提出了非理想情况下相应的时间反演镜信号均衡算法,为时间反演多目标成像技术的实际应用提供了有效的支撑.     

亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.     

蒸发波导中的时间反演抛物方程定位法

蒸发波导是一种在海面上频繁出现的多径传播环境,会引起信号畸变,导致常规算法分辨率下降,使得雷达测向测距误差加大甚至无法工作.本文提出了一种基于方向图加载的时间反演抛物方程定位算法,能够有效地处理蒸发波导效应,自适应地补偿信号畸变,形成与传播环境相匹配的、经过时间反演的电波,从而稳健地实现对目标的聚焦定位.该算法能够巧妙地利用多径效应,增大天线阵列的有效口径,得到超分辨率的效果.另外,它还对阵元间距有着较高的宽容性,这样就可以采用稀布形式,从而提高算法的实用性,增加其适用范围.仿真结果表明,对于相同口径的阵列天线,该算法使方位分辨率较自由空间提高了2倍以上;在30λ的大阵元间距下,旁瓣电平在8.96 dB以下,有效地抑制了鬼像的产生.该算法具有较强的稳健性和较高的精度,在海面通信、搜救、预警等领域有着广阔的应用前景.     

相位加权的矢量全聚焦超声阵列成像方法研究

常规矢量全聚焦成像仅利用检测信号的幅值信息,其成像质量受噪声、栅瓣和旁瓣等的影响大。综合利用检测信号的幅值和相位信息,本文提出两种相位加权的矢量全聚焦成像方法。首先,对全矩阵数据的相位信息进行分析,提取出两种相位特征参数:相位一致因子(Phase Coherence Factor:PCF)和极性一致因子(Sign Coherence Factor:SCF);然后,将全阵列划分为若干子阵列,分别利用两种相位特征参数对各个子阵列的成像幅值进行加权,求取加权幅值特征向量;最后,对所有子阵列的加权特征向量进行合成,得到两种加权的矢量全聚焦成像,并从中提取出裂纹方向及尺寸等特征信息。将三种矢量全聚焦成像方法应用于不同缺陷检测仿真及实验验证,结果表明,3种方法均可以实现缺陷方向识别与长度定量测量;但相位加权矢量全聚焦成像效果明显优于常规矢量全聚焦成像结果,其成像信噪比及分辨率更高,缺陷角度及长度测量结果更准确。本文研究工作为缺陷无损评价提供了可行的技术手段。      

基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术.骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分.从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像.在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响.该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术.     

亚波长金属线阵中一维时间反演电磁波的聚焦机理研究

基于周期金属线阵的等效电介质模型, 并使用传输线理论方法, 得到了金属线阵中时间反演电磁波的解析表达式. 接着, 在等效电介质模型的适用范围内, 讨论了金属线半径、金属线阵周期、金属线阵周期数对时间反演电磁波聚焦的影响. 从而在理论上证实, 这种结构可以实现远场时间反演电磁波聚焦, 同时, 也为时间反演技术提供了工程参考.     

Transmission mode time-reversal super-resolution imaging

The theory of time-reversal super-resolution imaging of point targets embedded in a reciprocal background medium [A. J. Devaney, "Super-resolution imaging using time-reversal and MUSIC," J. Acoust. Soc. Am. (to be published)] is generalized to the case where the transmitter and receiver sensor arrays need not be coincident and for cases where the background medium can be nonreciprocal. The new theory developed herein is based on the singular value decomposition of the generalized multistatic data matrix of the sensor system rather than the standard eigenvector/eigenvalue decomposition of the time-reversal matrix as was employed in the above-mentioned work and other treatments of time-reversal imaging [Prada, Thomas, and Fink, "The iterative time reversal process: Analysis of the convergence," J. Acoust. Soc. Am. 97, 62 (1995); Prada et al., "Decomposition of the time reversal operator: Detection and selective focusing on two scatterers," J. Acoust. Soc. Am. 99, 2067 (1996)]. A generalized multiple signal classification (MUSIC) algorithm is derived that allows super-resolution imaging of both well-resolved and non-well-resolved point targets from arbitrary sensor array geometries. MUSIC exploits the orthogonal nature of the scatterer and noise subspaces defined by the singular vectors of the multistatic data matrix to form scatterer images. The time-reversal/MUSIC algorithm is tested and validated in two computer simulations of offset vertical seismic profiling where the sensor sources are aligned along the earth's surface and the receiver array is aligned along a subsurface borehole. All results demonstrate the high contrast, high resolution imaging capabilities of this new algorithm combination when compared with "classical" backpropagation or field focusing. Above and beyond the application of seismo-acoustic imaging, the time-reversal super-resolution theory has applications in ocean acoustics for target location, and ultrasonic nondestructive evaluation of parts.     

散射介质超衍射极限技术研究进展

综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义,以及已有超衍射极限成像技术的发展现状;然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义;其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用,介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法,总结了散射介质加入到光学系统中的作用,分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点;讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法;最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。     

A time reversal damage imaging method for structure health monitoring using Lamb waves

This paper investigates the Lamb wave imaging method combining time reversal for health monitoring of a metal-lic plate structure.The temporal focusing effect of the time reversal Lamb waves is investigated theoretically.It demonstrates that the focusing effect is related to the frequency dependency of the time reversal operation.Numerical simulations are conducted to study the time reversal behaviour of Lamb wave modes under broadband and narrowband excitations.The results show that the reconstructed time reversed wave exhibits close similarity to the reversed nar-rowband tone burst signal validating the theoretical model.To enhance the similarity,the cycle number of the excited signal should be increased.Experiments combining finite element model are then conducted to study the imaging method in the presence of damage like hole in the plate structure.In this work,the time reversal technique is used for the recompression of Lamb wave signals.Damage imaging results with time reversal using broadband and narrowband excitations are compared to those without time reversal.It suggests that the narrowband excitation combined time reversal can locate and determine the size of structural damage more precisely,but the cycle number of the excited signal should be chosen reasonably.     

Split-ring-based metamaterial for far-field subwavelength focusing based on time reversal

In this paper, split-ring-based metamaterial sheets are designed for the purpose of achieving far-field subwavelength focusing, with the aid of a time-reversal technique. The metamaterial sheets are inserted into a subwavelength array consist- ing of four element antennas, with the element spacing being as small as 1/15 of a wavelength. Experiments are performed to investigate the effect of the metamaterial sheets on the focusing resolution. The results demonstrate that in the presence of the metamaterial sheets, the subwavelength array exhibits the ability to achieve super-resolution focusing, while there is no super-resolution focusing without the metamaterial sheets. Further investigation shows that the metamaterial sheets are contributive to achieving super-resolution by weakening the cross-correlations of the channel impulse responses between the array elements.     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。