CN102694621B - 一种空间编码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间编码的方法，包括：S1.接收电磁波；S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述平面电磁波离开超材料时，出现唯一的极化方式；S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以编码。本发明还公开了一种空间编码的装置。根据本发明的空间编码的方法和装置，实现编码成本更低、效率更高、且功能多样、便于控制和设计。

Description

一种空间编码的方法和装置

技术领域

本发明涉及空间编码领域，具体地涉及一种空间编码的方法和装置。

背景技术

地理信息系统(GIS)技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在资源与环境应用领域中，它发挥着技术先导的作用。GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。

空间编码，指建立空间位置坐标与给定地址一致性的过程。也是指在地图上找到并标明每条地址所对应的位置，空间编码是GIS中比较重要的一个功能。

一个大型的政府GIS要求能够将任何数据移植到空间坐标系中，这个过程包括对数据的准确分类和注册，以及使所有的数据能够与一个空间坐标系建立关联；从而保证数据库中的每一个对象被准确无误地叠加在地图上，建立空间信息与非空间信息之间的联系。因此，空间编码在城市空间定位和分析领域内具有非常广泛的应用，如满足城市规划建设以及公安部门119、110报警系统等基于位置的服务要求。

日前常用的GIS软件都有空间编码功能如ArcGIS的Geocoding和Mapinfo的MapMarker等，并且编码方式基本相同。ArcGIS中以地址定位器的方式来表现空间编码索引。建立空间编码索引后，就可以对包含地址的数据表格进行空间编码。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人造微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，且，人造微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换与地址编码的对应提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低成本、高效率、功能多样、便于控制和设计的基于超材料的空间编码的方法。

本发明解决其技术问题所采用的第一个技术方案是：提供一种空间编码方法，包括：

S1.接收电磁波；

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，出现唯一的极化方式；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以编码。

在本发明所述的空间编码方法中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的空间编码方法中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的空间编码方法中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得各向异性。

在本发明所述的空间编码方法中，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形。

在本发明所述的空间编码方法中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上。

在本发明所述的空间编码方法中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

在本发明所述的空间编码方法中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

在本发明所述的空间编码方法中，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

在本发明所述的空间编码方法中，所述金属线为铜线或银线。

本发明解决其技术问题所采用的第二个技术方案是，提供一种空间编码的装置：

接收电磁波单元，用于接收电磁波；

超材料，与所述的接收电磁波单元相对设置，用于利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，出现唯一的极化方式；

编码单元，与所述超材料相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以编码。

在本发明空间编码的装置中，所述接收电磁波的单元为天线。

根据本发明的空间编码的方法和装置，通过所述人造微结构影响在其中传播的电磁波的极化方式，使得电磁波离开所述超材料时，在三维空间的不同位置将会出现唯一的极化方式；根据该唯一极化方式实现对空间的编码。上述的空间编码的方法和装置，制造成本低、编码效率高、并且功能多样、便于控制和设计。

附图说明

图1为本发明空间编码的方法流程图；

图2是本发明空间编码方法中超材料结构示意图；

图3是图2的另一视角图；

图4是本发明空间编码一个实施例中人造微结构的示意图；

图5图4所示图案衍生得到的一个人造微结构的图案；

图6图5所示图案变形得到的一个人造微结构的图案；

图7图5所示图案变形得到的另一个人造微结构的图案；

图8图5所示图案变形得到的三维人造微结构的图案；

图9是本发明空间编码装置结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

1基材，2人造微结构，11多个基板层，20超材料，21第一主线，22第二主线，23第一支线，24第二支线，25第三主线，26第三支线。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料"重要的三个重要特征：

(1)“超材料"通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料"具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料"性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，本发明实施例一，一种空间编码的方法，包括：

S1.接收电磁波，如可用天线接收电磁波；

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，将会出现唯一的极化方式；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以编码。

其中，超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定图案形状的金属丝构成的人造微结构和人造微结构所附着的基材。人造微结构这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而金属结构单元的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和“晶格”尺寸。

“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个金属结构单元所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于金属结构单元需要响应的电磁波频率，通常金属结构单元的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由金属结构单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

我们知道电磁波具有极化特性，它的极化方式是指线极化、圆极化及椭圆极化，其中线极化包括水平极化和垂直极化，极化方式的相互转换包括线极化与圆极化之间的相互转换，线极化与椭圆极化之间的相互转换，以及水平极化与垂直极化之间的相互转换。

由天线辐射原理可知，自由空间电磁波通常以电场的取向作为电波极化方向。是随时间而变化的，如果的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电磁波为线极化波。若的大小不变而方向随时间而变，在观察点处与传播方向垂直的平面内，矢量端点的变化轨迹是一个圆，称为圆极化波。的大小和方向都随时间变化，矢量端点的轨迹为椭圆的波则叫椭圆极化波。

作为公知常识，我们可知：

在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：若且与的相位差为nπ(n＝1,2,3,…)，则合成矢量的模为:这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝tg^-1(Eyn/Exm)，合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。

与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化；当极化面与地面垂直时，为垂直极化。

若与的幅度相等，相位差为(2n+1)π/2时，则是常数，而相位随时间t而变化：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝wt，故合成矢量端点的轨迹为一个圆，称为圆极化。

根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转(满足右手定测)称右旋极化，逆时针方向旋转(满足左手定测)称左旋极化。因此，若超前则为右旋极化波，若落后则为左旋极化波。

若与的幅度和相位差均不满足上述条件时，即合成矢量的大小和方向都随时间变化(都不是常数)，则合成矢量端点的轨迹为一个椭圆，称为椭圆极化。

根据电场旋转方向不同，椭圆极化和圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋称右旋极化，逆时针方向旋转称左旋极化。

因此，本发明中，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，只需△ω＝(2K+1)·π，其中K为整数。

若要实现线极化与圆极化的相互转换，只需△ω＝(2K+1)·(π/2)，且离开超材料极化转换器时电磁波电场矢量的两个分量的幅度相等，其中K为整数。在线极化转换为圆极化中，若超前则为右旋圆极化波，若落后则为左旋圆极化波。

若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，只需△ω不等于(2K+1)·(π/2)且△ω不等于(2K+1)·π且△ω不等于2Kπ，且离开超材料极化转换器时电磁波电场矢量的两个分量的幅度不相等，其中K为整数。在线极化转换为椭圆极化中，若超前则为右旋椭圆极化波，若落后则为左旋椭圆极化波。

请参阅图2，一种超材料，作为本发明的一个实施例，所述基材1由多个片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个人造微结构2，所有的人造微结构2在空间中形成周期阵列。优选地，所述所有的人造微结构2在空间中呈均匀性的周期阵列。

图3中，所述基材1实际上是由多个片状基板11沿与纸面垂直的方向堆叠。因此，图3中只能看到其一侧。图2为图3的另一视角图，我们可以清楚的看到基材1是由多个片状基板11堆叠形成有一定厚度的方形物体。图中多个箭头表示的是入射的电磁波。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到人造微结构。

我们可以将整个超材料分为多个单元，每个单元都具有一个人造微结构，整个超材料就是由这多个单元组成，每一个单元都会对通过其的电磁波产生响应，其中，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形，非旋转90度对称图形是旋转90度对称的相对概念，所谓旋转90度对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合。具有非旋转90度对称图形的人造微结构构成的空间单元结构表现出各向异性(即空间单元结构每点的电磁参数不同)。反之，具有旋转90度对称的图形的人造微结构构成的空间单元结构则表现为各向同性(即空间单元结构每点的电磁参数相同)。

所述单元必须为各向异性的人造微结构，超材料在空间中，每一点的电磁参数均为一个3*3的矩阵，如下所示：

$\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)$

即X、Y、Z轴方向的电磁参数均不相同。

各向同性是一种特例，矩阵表现形式为：

$\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)$

其中ε_xx＝ε_yy＝ε_zz，即均相同

特定极化的电磁波在通过各向异性的结构之后，传播方向会偏离原来的方向，角度由超材料的所在位置的光学主轴决定。超材料每一点的光学主轴都可以人为设定，最终可以实现每一点的光学主轴任意分布，入射电磁波的电场和磁场在空间每一点都将按照光学主轴进行分解，最终可以实现空间的电磁场的极化的特定分布。这样的技术可以把极化信息与空间位置绑定在一起，实现极化的空间编码。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板11上。

如图6所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。在这个实施例中，各向同性的情况为：

第一主线与第二主线长度相同；

第一分支与第二分支长度也相同；

因此，只要不同时满足上面的条件，则上述图案的人造微结构构成的空间单元结构表现为各向异性。

进一步地，所述入射的电磁波的电场矢量沿第一主线21所在的直线有分量。这样一来，电磁波的电场矢量的两个正交分量一个是在第一主线21的直线方向，另外一个则在第二主线22的直线方向，使得人造微结构2对电磁波的两个正交分量都有影响(电场响应)，这种影响经过一定时间叠加后，则会使电磁波的电场矢量的两个正交分量产生一个相位差(电磁波未进入超材料之前的两个正交分量没有相位差)，从而改变出射电磁波的极性，实现了极化方式的转换。在由水平极化转换成垂直极化时，出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度可以相等也可以不等。但是在由线极化转换为圆极化时，则需要出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度相同，因此在设计由线极化转换为圆极化的超材料时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角，这样电场矢量沿第一主线21及第二主线22的两个分量幅度相等。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图5－图7所示。其中图5为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图6至图7为上述图案的变形；另外还有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举，图8为图4立体图，即在图4的基础上再加上第三主线25以及第三支线26。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

如何通过人造微结构具有各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，出现唯一的极化方式，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，选择我们需要的极化效果，根据此效果去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

本发明中，对人造微结构的具体图案没有要求，因为只要其符合我们最终的极化效果，即可行。也可以说，人造微结构在超材料上的组合是无限的。可以是人造微结构的图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。这个根据具体需要会有所不同，无规律可言，都是计算机仿真后的结果，也就是说整个超材料中人造微结构的图案、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料中人造微结构的数量庞大，因此如果正向设计，是根本无法实现的。

请参阅图7，一种空间编码的装置，用所述空间编码的装置包括：

接收电磁波单元10，用于接收电磁波；

超材料20，与所述的接收电磁波单元相对设置，用于利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，出现唯一的极化方式；

编码单元30，与所述超材料相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以编码。

其中，所述接收电磁波的单元10为天线馈源。

根据本发明的空间编码的方法和装置，通过所述人造微结构影响在其中传播的电磁波的极化方式，使得电磁波离开所述超材料时，出现唯一的极化方式；根据该唯一极化方式实现对空间的编码。上述的空间编码的方法和装置，制造成本低、编码效率高、并且功能多样、便于控制和设计。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种空间编码的方法，其特征在于，包括：

S1.接收电磁波；

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，电磁波传播方向会偏离原来的方向，出现唯一的极化方式，具体为：特定极化的电磁波在通过各向异性的结构之后，传播方向会偏离原来的方向，角度由超材料的所在位置的光学主轴决定，超材料每一点的光学主轴为人为设定，最终实现每一点的光学主轴任意分布，入射电磁波的电场和磁场在空间每一点都将按照光学主轴进行分解，最终实现空间的电磁场的极化的特定分布；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以编码，具体为：把极化信息与空间位置绑定在一起，实现极化的空间编码。

2.根据权利要求1所述的空间编码的方法，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的空间编码的方法，其特征在于，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求2所述的空间编码的方法，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得各向异性。

5.根据权利要求2所述的空间编码的方法，其特征在于，每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形。

6.根据权利要求5所述的空间编码的方法，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上。

7.根据权利要求5所述的空间编码的方法，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

8.根据权利要求7所述的空间编码的方法，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

9.根据权利要求2所述的空间编码的方法，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

10.根据权利要求5所述的空间编码的方法，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

11.一种通信的空间编码的装置，用于实现权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信的装置包括：

接收电磁波单元，用于接收电磁波；

超材料，与所述的接收电磁波单元相对设置，用于利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料呈各向异性，使得所述电磁波离开超材料时，电磁波传播方向会偏离原来的方向，出现唯一的极化方式，具体为：特定极化的电磁波在通过各向异性的结构之后，传播方向会偏离原来的方向，角度由超材料的所在位置的光学主轴决定，超材料每一点的光学主轴为人为设定，最终实现每一点的光学主轴任意分布，入射电磁波的电场和磁场在空间每一点都将按照光学主轴进行分解，最终实现空间的电磁场的极化的特定分布；

编码单元，与所述超材料相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以编码，具体为：把极化信息与空间位置绑定在一起，实现极化的空间编码。

12.根据权利要求11所述的通信的装置，其特征在于，所述接收电磁波的单元为天线。