基于時(shí)間反演的自適應(yīng)聚焦天線陣列研究.pdf

1、時(shí)間反演是一種自適應(yīng)空時(shí)聚焦技術(shù)。時(shí)間反演后的聲波或電磁波可自適應(yīng)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(cè)精度。近年來該技術(shù)已成功地應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)、水聲通信、無損檢測(cè)、地震預(yù)報(bào)等方面，并成為電磁波領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文的研究圍繞著基于時(shí)間反演的自適應(yīng)聚焦天線陣列展開，研究了時(shí)間反演電磁波的空時(shí)聚焦特性以及與傳播環(huán)境的相互作用機(jī)理，將其與陣列天線理論有機(jī)地結(jié)合起來，形成了基于時(shí)間反演的目標(biāo)探測(cè)和波束形成

2、算法，以及脈沖陣列天線的輻射分析設(shè)計(jì)方法。旨在為基于時(shí)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(xì)介紹了時(shí)間反演電磁波的聚焦原理，在此基礎(chǔ)上建立了時(shí)間反演電磁波的實(shí)現(xiàn)模型和算法，并結(jié)合田口優(yōu)化算法對(duì)影響聚焦效果的因素進(jìn)行了討論。從波動(dòng)方程的時(shí)間反演對(duì)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(shí)間反演腔和時(shí)間反演鏡操作下的時(shí)間反演電磁波的聚焦原理。并將時(shí)間反演操作算子引入時(shí)域有限差分法

3、中，結(jié)合田口優(yōu)化算法仿真分析了強(qiáng)散射環(huán)境下，時(shí)間反演鏡單元位置、記錄時(shí)間、記錄波形、陣列配置等因素對(duì)時(shí)間反演聚焦脈沖峰值的影響。這些工作為時(shí)間反演自適應(yīng)聚焦天線陣列的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。
　　其次，對(duì)脈沖陣列天線的分析和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并根據(jù)脈沖天線收發(fā)波形的時(shí)間反演特征，提出了一種收發(fā)模型可方便地對(duì)陣元間的互耦進(jìn)行分析。脈沖陣列天線允許適當(dāng)降低對(duì)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(shí)現(xiàn)自適應(yīng)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(shè)計(jì)存在著許多難點(diǎn)，因此論文提出了一些方法解決了部分問題。論文將點(diǎn)源分析方法和仿真計(jì)算相結(jié)合，提出了一種快速的脈沖陣列方向圖的計(jì)算方法，極大地提高了計(jì)算速度減小了內(nèi)存占用;還在時(shí)域推導(dǎo)了多路信號(hào)在空間實(shí)現(xiàn)最大化功率合成的條件，據(jù)此設(shè)計(jì)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(chǔ)上，研究了脈沖

5、天線在同一激勵(lì)下的收發(fā)波形，發(fā)現(xiàn)了二者之間的時(shí)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(shí)現(xiàn)互耦分析和陣列設(shè)計(jì)。一維TEM喇叭陣列的分析設(shè)計(jì)算例充分表明了該模型的正確性和有效性。
　　然后，將時(shí)間反演技術(shù)與拋物方程法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了大氣波導(dǎo)中輻射源的定位。波達(dá)方向估計(jì)是自適應(yīng)波束形成的先決條件，然而在大氣波導(dǎo)環(huán)境中，往往因多徑效應(yīng)造成接收信號(hào)畸變，導(dǎo)致常規(guī)的估計(jì)算法精度受到影響甚至無法工作。本文在仔細(xì)

6、研究了拋物方程法和時(shí)間反演法的基本原理和實(shí)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上，提出了在初始場(chǎng)上加載時(shí)間反演電磁波的方法，采用時(shí)間反演拋物方程法定位大氣波導(dǎo)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(jìn)一步提高該方法的實(shí)用性，又提出了將時(shí)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(shí)，將原天線陣元數(shù)量減少為十分之一。
　　最后，將時(shí)間反演技術(shù)應(yīng)用于波束形成算法當(dāng)中，分別研究了近場(chǎng)的聚焦波束形成和遠(yuǎn)場(chǎng)的波束形成算