基于時間反演的自適應聚焦天線陣列研究.pdf

1、時間反演是一種自適應空時聚焦技術(shù)。時間反演后的聲波或電磁波可自適應地匹配于傳輸信道，并有效地抑制甚至利用多徑干涉，提高信息傳輸可靠性和探測精度。近年來該技術(shù)已成功地應用于目標探測、水聲通信、無損檢測、地震預報等方面，并成為電磁波領(lǐng)域中的一個研究熱點。本文的研究圍繞著基于時間反演的自適應聚焦天線陣列展開，研究了時間反演電磁波的空時聚焦特性以及與傳播環(huán)境的相互作用機理，將其與陣列天線理論有機地結(jié)合起來，形成了基于時間反演的目標探測和波束形成

2、算法，以及脈沖陣列天線的輻射分析設計方法。旨在為基于時間反演的陣列天線的研究、發(fā)展提供理論依據(jù)及新思路。
　　首先，本文詳細介紹了時間反演電磁波的聚焦原理，在此基礎上建立了時間反演電磁波的實現(xiàn)模型和算法，并結(jié)合田口優(yōu)化算法對影響聚焦效果的因素進行了討論。從波動方程的時間反演對稱性和電波傳播的互易性出發(fā)，分別采用格林函數(shù)和多徑信道模型分析了時間反演腔和時間反演鏡操作下的時間反演電磁波的聚焦原理。并將時間反演操作算子引入時域有限差分法

3、中，結(jié)合田口優(yōu)化算法仿真分析了強散射環(huán)境下，時間反演鏡單元位置、記錄時間、記錄波形、陣列配置等因素對時間反演聚焦脈沖峰值的影響。這些工作為時間反演自適應聚焦天線陣列的實現(xiàn)打下了基礎。
　　其次，對脈沖陣列天線的分析和設計方法進行了研究，并根據(jù)脈沖天線收發(fā)波形的時間反演特征，提出了一種收發(fā)模型可方便地對陣元間的互耦進行分析。脈沖陣列天線允許適當降低對天線單元的要求，配合高速度的開關(guān)可有效地提高系統(tǒng)輻射性能，并使其具有波束形成和波束掃

4、描的能力，是實現(xiàn)自適應聚焦天線系統(tǒng)的一種有效的途徑。由于脈沖陣列相關(guān)理論還處于發(fā)展階段，其分析與設計存在著許多難點，因此論文提出了一些方法解決了部分問題。論文將點源分析方法和仿真計算相結(jié)合，提出了一種快速的脈沖陣列方向圖的計算方法，極大地提高了計算速度減小了內(nèi)存占用;還在時域推導了多路信號在空間實現(xiàn)最大化功率合成的條件，據(jù)此設計了一種陣饋拋物柱反射面天線，在軸向輸出超寬帶高功率的微波窄波束;另外，在超寬帶系統(tǒng)傳遞函數(shù)的基礎上，研究了脈沖

5、天線在同一激勵下的收發(fā)波形，發(fā)現(xiàn)了二者之間的時間反演特征;基于此提出了脈沖陣列天線系統(tǒng)的收發(fā)模型，用于分離陣元的輻射波形，實現(xiàn)互耦分析和陣列設計。一維TEM喇叭陣列的分析設計算例充分表明了該模型的正確性和有效性。
　　然后，將時間反演技術(shù)與拋物方程法相結(jié)合實現(xiàn)了大氣波導中輻射源的定位。波達方向估計是自適應波束形成的先決條件，然而在大氣波導環(huán)境中，往往因多徑效應造成接收信號畸變，導致常規(guī)的估計算法精度受到影響甚至無法工作。本文在仔細

6、研究了拋物方程法和時間反演法的基本原理和實現(xiàn)算法的基礎上，提出了在初始場上加載時間反演電磁波的方法，采用時間反演拋物方程法定位大氣波導中的輻射源，仿真結(jié)果表明該方法和逆拋物方程法具有相同的定位精度。為了進一步提高該方法的實用性，又提出了將時間反演信息加載于反演陣列方向圖的方法，在保證了相同定位精度的同時，將原天線陣元數(shù)量減少為十分之一。
　　最后，將時間反演技術(shù)應用于波束形成算法當中，分別研究了近場的聚焦波束形成和遠場的波束形成算