CN109586033A

CN109586033A - 一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法

Info

Publication number: CN109586033A
Application number: CN201811424313.4A
Authority: CN
Inventors: 董惠斌; 丁帅
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: CN109586033B

Abstract

本发明公开了一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波的产生方法，涉及电磁波束成型领域；其包括步骤1：根据贝塞尔波的电场与磁场分布选取一个截面作为初始波发射面，获取初始波发射面场分布，并根据场分布计算初始波的最大无衍射距离；步骤2：发射初始波，使其在自由空间传播，并在最大无衍射距离处截取电场获取初始波发射面各个位置的电场值；步骤3：初始波发射面的电场值离散化后进行时间反演操作获取反演贝塞尔波，发射反演贝塞尔波后使其在相同自由空间传播，产生无衍射贝塞尔波束；本发明解决现有在微波频段产生贝塞尔波束无衍射距离短的问题，达到了大大提升贝塞尔波场无衍射距离的效果。

Description

一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法

技术领域

本发明涉及电磁波波束成型领域，具体涉及一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波波束产生方法。

背景技术

波动衍射是自然界一种普遍的物理现象，电磁波在空间中传播会发生衍射现象，电磁波的能量将在空间中扩散，波动衍射对所有传统波动场都具有影响。在微波的许多领域应用如远距离无线输能、高分辨率成像都需要抑制波动衍射产生，因此需要一种无衍射的电磁波束即沿着传播方向场的强度不发生改变，提高无线输能的效率和远场探测的分辨率。

贝塞尔波束具有聚束传播特性，其能够以无衍射方式传播长距离，还具有主瓣尺寸小、焦深长、方向性好、传输距离远和具有自重建性等良好特点，因此贝塞尔波在光学领域已有广泛且深入的研究，可以通过环缝法、全息成像法、球面像差透镜等变换方法产生贝塞尔波束，由于在微波频段中电磁波的波长远大于光波的波长，所以以上方法在微波频段产生难度大、转换效率低；对于微波频段问题，有研究者提出使用超表面对电磁波的相位与幅度进行调控来获得贝塞尔波束，由于存在对于贝塞尔波相位调控不精确，并且超表面一部分电磁波会被反射，导致了这种方法的效率较低，并且无衍射距离较短。在微波领域产生的贝塞尔波束，其最大无衍射距离受发射面的口径大小影响很大。

时间反演电磁学是一门新的电磁学学科分支，时间反演指运动的反演，对于电磁波来说，将所接收到的时域电磁信号波形进行反转，然后再进行发射的过程称为时间反演操作；重新发射的电磁波在传播过程中将具有回溯现象，即观察这个反演电磁波其空间中任意位置场分布与入射波相同。综上所述，需要一种贝塞尔波束的产生方法可以结合时间反演操作实现长距离无衍射，克服现有技术的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波产生方法，解决现有在微波频段产生贝塞尔波束无衍射距离短的问题。

为了实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，包括以下步骤：

步骤1：根据贝塞尔波的电场与磁场分布选取一个截面作为初始波发射面，获取初始波发射面场分布，并根据初始波发射面场分布计算初始波的最大无衍射距离；

步骤2：发射初始波，使其在自由空间传播，并在最大无衍射距离处截取电场获取初始波发射面各个位置的电场值；

步骤3：初始波发射面的电场值离散化后进行时间反演操作获取反演贝塞尔波，发射反演贝塞尔波后使其在相同自由空间传播，完成产生无衍射贝塞尔波束。

优选地，所述步骤1中最大无衍射距离计算如下：

其中，ρ₀为初始波发射面的半径，δ为初始波波束的轴锥角，k_ρ为初始波的径向波数， k_z为初始波的轴向波数。

优选地，所述步骤2中电场的截取面面积大于初始波发射面面积。

优选地，所述步骤3中初始波发射面的电场值离散化步骤如下：

其中，E_r为截取面的电场分布，n为在截取面的取样数目，r_i为截取面的取样点的直角坐标，A(r_i)为截取到电场在r_i位置的振幅，为截取到电场在r_i位置的相位。

优选地，所述步骤3中时间反演操作采用相位共轭操作，具体如下：

其中，E_tr为反演后发射的电场分布。

本发明因为采用了上述技术方案，因此具有以下有益效果:

1.本发明通过确定贝塞尔波束场分布后发射一束贝塞尔波，确定截取位置后获取对应位置的贝塞尔波电场分布，对此电场离散化后进行时间反演操作重新发射反演贝塞尔波，解决现有在微波频段产生贝塞尔波束无衍射距离短的问题，达到了克服时间反演操作难点、大大提升贝塞尔波场无衍射距离、提高回溯波形的精确性的效果；

2.本发明通过计算原贝塞尔波的最大无衍射距离来确定截取面的位置，利于最大地提升无衍射距离；

3.本发明为克服贝塞尔波的场分布复杂度高导致无法对整个平面进行时间反演操作这个难点，将接收平面的电场进行离散化，通过离散的电场分布，可以精确地对发射平面任一位置的电场相位与幅度进行修正，使得时间反演进行回溯时可以保证回溯波形的精确性，同时用时间反演实现了近场波束的回溯效果；

4.本发明通过时间反演还可以补偿和修复信息，由于时间反演具有空时同步聚焦的性质，反演贝塞尔波经过相同的传播区域时，能量在会在原位置进行聚集，这样降低副瓣能量衰减速度，保持较好的波形状态，提高回溯波形的精确性；

5.本发明通过保证截取面积大于发射面积，避免传统时间反演的多径信息不明显的缺点，提高获得的场信息的完整度，进一步提高回溯波形的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明实施例初始波发射面的电场分布；

图3为本发明实施例初始波传播截面的电场分布；

图4为本发明实施例反演贝塞尔波束纵向电场分布；

图5为本发明实施例反演贝塞尔波束在原发射位置处横向电场分布。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术问题：解决现有在微波频段产生无衍射贝塞尔波束因发射源要求高等因素导致实现难度大、衍射距离短的问题；

技术手段：一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，包括以下步骤：

步骤1中最大无衍射距离计算如下：

步骤2中电场的截取面面积大于初始波发射面面积。

步骤3中初始波发射面的电场值离散化步骤如下：

步骤3中时间反演操作采用相位共轭操作，具体如下：

其中，E_tr为反演后发射的电场分布。

技术效果：本发明通过确定贝塞尔波束场分布后发射一束贝塞尔波，确定截取位置后获取对应位置的贝塞尔波电场分布，对此电场离散化后进行时间反演操作重新发射反演贝塞尔波，解决现有在微波频段产生贝塞尔波束无衍射距离短的问题，达到了克服时间反演操作难点、大大提升贝塞尔波场无衍射距离、提高回溯波形的精确性的效果；通过计算原贝塞尔波的最大无衍射距离来确定截取面的位置，利于最大地提升无衍射距离；为克服贝塞尔波的场分布复杂度高导致无法对整个平面进行时间反演操作这个难点，将接收平面的电场进行离散化，通过离散的电场分布，可以精确地对发射平面任一位置的电场相位与幅度进行修正，使得时间反演进行回溯时可以保证回溯波形的精确性，同时用时间反演实现了近场波束的回溯效果；通过时间反演还可以补偿和修复信息，由于时间反演具有空时同步聚焦的性质，反演贝塞尔波经过相同的传播区域时，能量在会在原位置进行聚集，这样降低副瓣能量衰减速度，保持较好的波形状态，提高回溯波形的精确性；通过保证截取面积大于发射面积，避免传统时间反演的多径信息不明显的缺点，提高获得的场信息的完整度，进一步提高回溯波形的精确性。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述

实施例1

如图1-5所示，一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，包括以下步骤：

步骤1：根据贝塞尔波的电场与磁场分布选取一个截面作为初始波发射面，获取初始波发射面场分布，并根据场分布计算初始波的最大无衍射距离；

步骤1中最大无衍射距离计算如下：

其中，ρ₀为初始波发射面的半径，δ为初始波波束的轴锥角，k_ρ为电磁波的径向波数， k_z为电磁波的轴向波数。

步骤3：初始波发射面的电场值离散化后进行时间反演操作获取反演贝塞尔波，发射反演贝塞尔波后使其在相同自由空间传播，实现无衍射贝塞尔波束的产生。

步骤3中初始波发射面的电场值离散化步骤如下：

步骤3中时间反演操作采用相位共轭操作，具体如下：

其中，E_tr为反演后发射的电场分布。

本实例中，首先确定初始的贝塞尔波，发射一个频率为18Ghz，发射面半径为100mm并令k_ρ＝(-0.4-i0.02)k₀，k_ρ为径向方向上的波数，k_z为z方向上的波数，k₀为自由空间中的波数，发射的贝塞尔波束为沿z方向传播的具有中心对称性的TM电磁波，在圆柱坐标系下其电场分布公式为：

E_φ(ρ,φ,z)＝0

我们将频率f、k_ρ和发射面的半径值代入到上述公式，并令z＝0确立初始波发射面处的电场分布；图2展示了这种初始波发射面的横向电场分布图，将这一电场分布导入到全波电磁仿真软件CST中，确定这一束初始发射波的无衍射传播特点，并且确定其最大无衍射距离为226.84mm即13.6个波长；然后在这最大无衍射距离位置对于电场进行截取和记录，这时选择截取面的面积为300mm*300mm，利于收集到更多的信息用来进行时间反演操作；并对这个截取面上的电场进行离散化处理，以2mm作为间隔，一共得到22500个采样点和每个点的电场强度与相位。其中，为克服贝塞尔波的场分布复杂度高导致无法对整个平面进行时间反演操作这个难点，将接收平面的电场进行离散化，通过离散的电场分布，可以精确地对发射平面任一位置的电场相位与幅度进行修正，使得时间反演进行回溯时可以保证回溯波形的精确性，同时用时间反演实现了近场波束的回溯效果。

将得到的电场进行时间反演操作，由于发射波束为单频率波束，对于电场可以使用相位共轭操作来达到时间反演的效果，将这个反演后的电场重新导入到全波仿真软件CST中用来模拟现实中反演波束的发射，经过相同的自由空间的传播；此时这束反演波并不具有特殊的电场与相位分布，是一种预失真的波束，这束波束空间电场将会随着传播距离而发生变化，根据时间反演的回溯特性，在传播过程中的场分布将是对于初始发射波场的一种回顾，并且这束反演电磁波将在传播到原位置时具有发射波场分布的特点，如图5所示，即满足贝塞尔波场分布特点，并且可以继续以无衍射的形式传播下去，如图4所示，最大无衍射距离为460mm为原先距离的2倍；因此，进行时间反演操作后，这束时间反演波将会以贝塞尔波的形式进行回溯，并距离截取面Z_max远处满足贝塞尔波场分布特点，并且可以继续沿当前传播方向无衍射的传播Z_max远，所以其最大无衍射距离为2Z_max，有利于长距离无线输能的运用。

实施例2

基于实施例1，步骤2中电场的截取面面积大于初始波发射面面积，避免传统时间反演的多径信息不明显的缺点，提高获得的场信息的完整度，进一步提高回溯波形的精确性；同时通过时间反演还可以补偿和修复信息，由于时间反演具有空时同步聚焦的性质，反演贝塞尔波经过相同的传播区域时，能量在会在原位置进行聚集，这样降低副瓣能量衰减速度，保持较好的波形状态，提高回溯波形的精确性。

本申请不限于上述实施例，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换的技术方案，均落入本发明保护范围。

Claims

1.一种基于时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于时间时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，其特征在于：所述步骤1中最大无衍射距离计算如下：

其中，ρ₀为初始波发射面的半径，δ为初始波波束的轴锥角，k_ρ为初始波的径向波数，k_z为初始波的轴向波数。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，其特征在于：所述步骤2中电场的截取面面积大于初始波发射面面积。

4.根据权利要求1或者3所述的一种基于时间时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，其特征在于：所述步骤3中初始波发射面的电场值离散化步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于时间时间反演的无衍射贝塞尔波束产生方法，其特征在于：所述步骤3中时间反演操作采用相位共轭操作，具体如下：

其中，E_tr为反演后发射的电场分布。