CN104777519A - 一种电磁信号时间反演变换的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁信号时间反演变换的方法及系统，涉及微波技术领域。所述时间反演变换系统包括两个漏波结构装置、两个Rotman透镜，采用两次傅里叶变换完成信号波形的时间反演，过程简便。所述时间反演系统采用微波无源器件完成，电路原理简单，结构紧凑，易于实现。所述Rotman透镜的输入和输出端子数量可以调整，适用于时域信号反演变换的不同精度要求。所述漏波结构装置可以实现时域信号到空域的转换，高速微波开关保证整个系统进行信号反演变换的准确性。本发明可实现微波信号高速、高效和实时的反演变换，可用于时间反演电磁应用系统中。

Description

一种电磁信号时间反演变换的方法及系统

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种电磁信号时间反演变换的方法以及一种基于漏波结构和Rotman透镜等微波无源器件进行电磁信号时间反演变换的系统。

背景技术

时间反演技术自引入到电磁波领域以来，由于其可实现电磁信号的时间-空间同步聚焦特性，已被广泛用于高分辨率目标探测和成像、高速无线通信等领域。时间反演电磁应用系统中的关键部分是如何进行电磁信号的实时高效时间反演变换。基于数字信号处理技术，通过AD采样处理后再进行DA转换的方法，实时性差，成本高，甚至无法完成。而基于模拟信号处理技术则可以利用器件自身的物理特性实现信号的反演变换，具有高速、高效和实时等特点，适用于处理高频(即时域窄脉冲)电磁信号。因此，采用模拟信号处理方法进行电磁信号的时间反演变换，是构建实时高效时间反演电磁应用系统的关键环节。

文献“Time reversal of broadband microwave signals(F.Coppinger；A.S.Bhushan；B.Jalali,Electronics Letters,1999,35(15):1230-1232)”基于色散补偿原理，利用微波光子技术，通过啁啾器件实现对微波信号的时间反演变换。该方案具有高时间-带宽积、高分辨率、带宽易拓展等优点，但是电光/光电转换器件和飞秒级锁模激光源的成本高，色散光纤或布拉格光栅的体积较大，难以实现小型化和集成化的设计。

文献“A full electronic system for the time magnification of ultra-wideband signals(J.D.Schwartz；J.Azana；D.V.Plant,IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,2007,55(2):327-334)”基于时域成像原理，提出了全电子技术的电磁信号波形变换方法，通过实验可将时隙长度为0.6ns的波形拉伸，但是没有实现信号波形的时间反演。

文献“Realization of microwave wave signal time reversal based on time lens theory(S.Ding；B.Z.Wang；G.D.Ge；D.Wang；D.S.Zhao,Acta Physica Sinica,2012,61(6):064101-1-064101-6)”基于时间透镜原理，提出采用模拟信号处理技术实现时间反演变换的方法。设计的系统由啁啾延迟器、乘法器和解调器组成，可对时隙长度为1.5ns的信号进行时间反演。由于啁啾延迟器不能提供良好的色散信道响应，而微波模拟信号乘法器对啁啾信号的响应速度、响应灵敏度、相位畸变以及损耗等也直接影响反演波形的保真度，因而这种变换方法的性能较差。

在微波频段，采用模拟信号处理技术实现电磁信号波形时间反演变换的理论依据是时域成像原理，主要方法有微波光子技术和全电子技术。微波光子技术需要相应的激光器件，其成本高，体积大；全电子技术采用无源和有源器件相结合的方法，由于啁啾延迟器的性能问题，反演效果难以达到要求。因此，如何克服上述缺点，实现电磁信号实时、高效、高保真的进行时间反演变换，是微波工程目前面临的难点和富有挑战性的课题。

发明内容

针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种电磁信号时间反演变换的新方法以及一种基于漏波结构和Rotman透镜等微波无源器件进行高频电磁信号时间反演变换的系统。通过合理设计Rotman透镜的结构并恰当选择输入输出端子数目，使之能够对待处理的电磁信号进行实时的离散傅里叶变换；通过适当设计漏波结构装置，使之与Rotman透镜良好兼容，高效提供被处理信号的各个分量，进而完成电磁信号在时间轴上的反转变换。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁信号时间反演变换的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、由天线接收的信号f(t)经过时域-空域转换，变为空域信号g(y)；

步骤2、空域信号g(y)进行一次傅里叶变换，变为谱域信号F(ω)；

步骤3、谱域信号F(ω)再进行一次傅里叶变换，变为空域信号g(-y)；

步骤4、空域信号g(-y)经过空域-时域转换，变为时域反演信号f(-t)；

经过上述四个步骤，所述方法完成对于信号f(t)的时间反演变换，变换结果可用于时间反演电磁应用系统中。

本发明还提供一种用于实现上述电磁信号时间反演变换方法的系统，具体如下所述：

一种基于微波无源器件的时间反演变换系统，包括两个漏波结构装置、两个Rotman透镜，其结构如图2所示。

待处理的信号f(t)经过第一个漏波结构装置，由时域信号转换为空域信号g(y)，然后进入第一个Rotman透镜，进行第一次傅里叶变换：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}g\left(y\right)e^{-\mathrm{j\ωy}}\mathrm{dy}---\left(1\right)$

变换后再进入第二个Rotman透镜，进行第二次傅里叶变换：

${\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{jy\ω}}\mathrm{d\ω}={\left\{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{F}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωy}}\mathrm{d\ω}\right\}}^{*}={\left\{g(-y)\right\}}^{*}=g(-y)---\left(2\right)$

变换后的信号g(-y)进入第二个漏波结构装置，由空域信号转换为时域反演信号f(-t)输出，完成时域信号的时间反演变换。

所述Rotman透镜的结构如图3所示，由输入端子、相位调节结构、透镜主体、相位校准结构和输出端子构成。输入信号各分量由输入端子进入相位调节结构，经相位调节后，进入透镜主体，完成离散傅里叶变换处理，处理后的信号各分量进入相位校准结构，经相位校准后，由输出端子输出。

如图3所示，输入端子数量为N，各信号分量为A₁～A_N，输出端子数量为M，各信号分量为B₁～B_M。相位调节结构由均匀介质板上刻蚀微带线构成，各条微带线长度分别为W₁～W_N，其中位于透镜主体中轴上的微带线长度W_(N+1)/2为固定值W₀。相位校准结构也由均匀介质板上刻蚀微带线构成，各微带线长度分别为V₁～V_M。

如图3建立直角坐标系，透镜主体由均匀介质板上刻蚀微带线构成，左侧轮廓C₁为圆弧，圆心为O点，其上有三个准确的焦点G₁，F₁，F₂，对应的角度分别为0，α和-α。G₁和O₁点在透镜主体的中轴上，F₁和F₂关于中轴对称，G₁O₁的长度为G，F₁O₁和F₂O₁的长度为F。P点为右侧轮廓C₂上的一点，坐标为(X,Y)，通过长度为W₁的微带线与相应输入端子相连。输入端子与中轴的距离为D₁，输入端子处的波束与水平方向的夹角为β₁。均匀介质板相对介电常数为ε_r，C₁、C₂和W₁的尺寸由以下设计步骤确定：

步骤1，给定焦距F的值，设定以焦距F为归一化的参数：

x＝X/F，y＝Y/F，g＝G/F，w＝(W₁-W₀)/F，a₀＝cosα，b₀＝sinα

步骤2，给定参数α和g，确定轮廓C₁的半径R：

R＝[(Fcosα–G)²+F²sin²α]/[2(G-Fcosα)]  (3)

步骤3，确定x、y和w，从而确定X、Y和W₁：

$x=\frac{1}{g-a_0}[(1-g)w-\frac{b_0^2}{2}{\mathrm{\η}}^2]---\left(4\right)$

y＝η(1-w)  (5)

$w=\left\{\begin{array}{cc}\frac{+b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}& b\≥0\\ \frac{-b-\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}& b\≤0\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中的参数a、b、c：

$a=[1-{\mathrm{\η}}^2-{\left(\frac{g-1}{g-a_0}\right)}^2]---\left(7\right)$

$b=[2g\left(\frac{g-1}{g-a_0}\right)-\frac{(g-1)}{{(g-a_0)}^2}{b}_0^2{\mathrm{\η}}^2+2{\mathrm{\η}}^2-2g]---\left(8\right)$

$c=[\frac{g{b}_0^2{\mathrm{\η}}^2}{g-a_0}-\frac{b_0^4{\mathrm{\η}}^4}{4{(g-a_0)}^2}-{\mathrm{\η}}^2]---\left(9\right)$

步骤4，P点在轮廓C₂上变化时，由步骤1和步骤3确定W₂～W_N和相应的X、Y值。

如图3所示，输入端子的信号A_n，输入波束与水平方向的夹角为β_m，与中轴的距离为D_n，通过微带线W_n到达轮廓C₂上的点为a_n；输出端子的信号B_m，通过微带线V_m到达轮廓C₁上的点为b_m；b_ma_n的长度为L_m,n，b_mO₁的长度为H_m。B_m和A_n之间的关系：

$B_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n{e}^{-\mathrm{jk}(L_{m,n}+W_n+V_m)}=e^{-\mathrm{jk}(H_m+V_m+W_0)}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n{e}^{\mathrm{jk}{D}_n\sin {\mathrm{\β}}_m}---\left(10\right)$

H_m+V_m为固定值，据此确定相位校准结构中微带线V₁～V_M的长度。所述Rotman透镜工作波长为λ，输入端子之间的距离为d。给定输入和输出端子的数目N，D_n、β_m和d的尺寸由以下条件确定：

D_n＝[(N+1)/2-n]d  (11)

β_m＝sin^-1[(2m/N)sinα]  (12)

d＝λ/(2sinα)  (13)

输出端子的信号B_m与输入端子的信号A_n之间可满足离散傅里叶变换关系：

$B_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(n-\frac{N+1}{2})m}---\left(14\right)$

所述漏波结构装置1如图4所示，时域电磁信号从信号输入端进入漏波结构1中，并在漏波结构1呈行波传播。

进一步的，所述漏波结构装置1的输出端与Rotman透镜2的各个输入端子之间连接有高速微波开关；所述漏波结构装置1通过高速微波开关控制各个信号分量的同步性，以保证整个系统时间反演变换的准确性；当电磁信号波前到达漏波结构1末端时，开启高速开关，完成信号的时空变换；变换后的空域信号再同步进入Rotman透镜中完成离散傅里叶变换。

所述漏波结构装置4如图5所示，完成两次傅里叶变换的空域信号从Rotman透镜输出端进入漏波结构4中，通过漏波结构4，完成信号的空时转换。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述电磁信号的时间反演方案采用两次傅里叶变换完成信号波形的时间反演，过程简便，适用于微波段电磁信号的实时反演变换。

(2)本发明所述电磁信号的时间反演系统采用微波无源器件完成，电路原理简单，结构紧凑，易于实现。

(3)本发明所述Rotman透镜的输入和输出端子数量可以调整，适用于时域信号反演变换的不同精度要求。

(4)本发明所述漏波结构装置可以实现信号从时域到空域的转换，通过高速微波开关使各个信号分量同步进入所述Rotman透镜，保证离散傅里叶变换的准确性。

附图说明

图1本发明所述电磁信号时间反演变换的方法步骤框图。

图2本发明所述电磁信号时间反演系统的结构框图。

图3本发明所述Rotman透镜的基本结构图。

图4本发明所述漏波结构装置1的基本结构图。

图5本发明所述漏波结构装置4的基本结构图。

具体实施方式

实施例

基于漏波结构和Rotman透镜的电磁信号时间反演变换系统，如图2所示。包括漏波结构装置1、Rotman透镜2、Rotman透镜3和漏波结构装置4；所述漏波结构装置1和漏波结构装置4的结构相同，所述Rotman透镜2和Rotman透镜3的结构相同；漏波结构装置1的输入端接收待变换的电磁信号，另一端与Rotman透镜2的各个输入端子相连；Rotman透镜2的输出端子与Rotman透镜3的输入端子相连，Rotman透镜3的输出端子与漏波结构装置4的输入端相连，漏波结构装置4的输出端输出时间反演变换后的电磁信号。

所述Rotman透镜2和Rotman透镜3如图3所示，由输入端子、相位调节结构、透镜主体、相位校准结构和输出端子构成。所述Rotman透镜用于完成信号的离散傅里叶变换，结构尺寸由上述发明内容中所述的方法确定。

所述漏波结构装置1如图4所示，时域电磁信号从信号输入端进入漏波结构1中，并在漏波结构1呈行波传播。当电磁信号波前到达漏波结构1末端时，开启高速开关，完成信号的时空变换。变换后的空域信号再同步进入Rotman透镜中完成离散傅里叶变换。

所述漏波结构装置4如图5所示，完成两次傅里叶变换后的空域信号从Rotman透镜输出端进入到漏波结构4中，通过漏波结构4，完成空域信号到时域的转换。

本实施例适用于微波各频段的时间反演电磁应用系统，频率可根据需要确定。

Claims (7)

1.一种电磁信号时间反演变换的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、由天线接收的信号f(t)经过时域-空域转换，变为空域信号g(y)；

步骤2、空域信号g(y)进行一次傅里叶变换，变为谱域信号F(ω)；

步骤3、谱域信号F(ω)再进行一次傅里叶变换，变为空域信号g(-y)；

步骤4、空域信号g(-y)经过空域-时域转换，变为时域反演信号f(-t)；

经过上述四个步骤，所述方法完成对于信号f(t)的时间反演变换，变换后的信号f(-t)可用于时间反演电磁应用系统中。

2.一种用于电磁信号时间反演变换的系统，包括漏波结构装置(1)、Rotman透镜(2)、Rotman透镜(3)和漏波结构装置(4)；其特征在于，所述漏波结构装置(1)和漏波结构装置(4)的结构相同，所述Rotman透镜(2)和Rotman透镜(3)的结构相同；漏波结构装置(1)的输入端接收待变换的电磁信号，其另一端与Rotman透镜(2)的各个输入端子相连；Rotman透镜(2)的输出端子与Rotman透镜(3)的输入端子相连，Rotman透镜(3)的输出端子与漏波结构装置(4)的输入端相连，漏波结构装置(4)的输出端输出时间反演变换后的电磁信号；

输入信号通过第一个漏波结构装置后由时域信号变为空域信号，然后依次通过两个串联的Rotman透镜完成两次离散傅里叶变换，从而实现信号波形的时间反演，最后通过第二个漏波结构装置将空域信号恢复为时域信号。

3.根据权利要求2所述的用于电磁信号时间反演变换的系统，其特征在于，所述漏波结构装置(1)的输出端与Rotman透镜(2)的各个输入端子之间连接有高速微波开关。

4.根据权利要求2所述的用于电磁信号时间反演变换的系统，其特征在于，所述Rotman透镜(2、3)包括N个输入端子、N个相位调节结构、透镜主体、N个相位校准结构及N个输出端子；所述透镜主体包括输入结构与输出结构；所述N个输入端子各自通过一个相位调节结构与透镜主体的输入结构连接，所述N个输出端子各自通过一个相位校准结构与透镜主体的输出结构连接。

5.根据权利要求4所述的用于电磁信号时间反演变换的系统，其特征在于，所述相位调节结构及相位校准结构均为微带线。

6.根据权利要求5所述的用于电磁信号时间反演变换的系统，其特征在于，所述透镜主体由均匀介质板上刻蚀微带线构成。

7.根据权利要求4所述的用于电磁信号时间反演变换的系统，其特征在于，通过调整所述Rotman透镜的输入和输出端子数量，可以调节离散傅里叶变换的精度。