基于时间反转镜的聚焦方法及其应用研究

【摘要】：电磁波在传播过程中受到多径的影响，将使信号产生时延扩展、畸变失真。时间反转镜技术能够自动进行多径补偿，提高复杂环境下能量聚焦和目标检测的性能。本文根据时间反转镜技术的基本原理，结合了能量聚焦和目标检测的基本方法，对时间反转镜在能量聚焦和目标检测中的应用进行研究。论文的主要研究工作如下： (1)简要介绍了时间反转镜技术的基础理论，对时反信道进行了分析。研究发现当单阵元时反信道主瓣远大于旁瓣时可实现聚焦，证明了在信道复杂性增加和阵元数增加时，时间反转镜可获得更好的聚焦效果。 (2)研究了时间反转镜在能量聚焦中的应用。证实了与传统中的只考虑直达波能量聚焦相比，时间反转镜能够取得聚焦增益，获得更好的聚焦效果；介绍了多目标时的迭代时间反转算法与时间反转算子特征分解算法。在低空海面的传播环境下，对单目标和多目标时的时间反转镜的聚焦性能进行了仿真。当时反聚焦的阵元达到一定数目，算法能够取得聚焦增益；并且海面的反射系数越大，获得的聚焦增益也越大；当阵元数足够多时，时反能量聚焦效果接近于直达波和多径反射波在目标处的同相叠加。在多目标聚焦仿真中得到，当海面反射系数为0.5，算法获得约2dB的聚焦增益；通过对时间反转算子的特征分解，提取出各目标的相位信息，可以实现在多个目标中的选择聚焦。由于时间反转镜技术实现了各多径信号在目标处的同相叠加，获得了聚焦增益，提高了复杂环境下能量聚焦的性能。 (3)研究了时间反转镜在目标检测中的应用。根据时间反转镜技术的基本原理，在纽曼－皮尔逊准则下，分别分析了单阵元和多阵元时间反转镜的目标检测概率，并介绍了频率选择时反目标检测技术。仿真结果表明，由于与传统的检测方法相比能够取得一定的信噪比增益，使得时反目标检测的发现概率得到提高；在频率选择时反目标检测中信噪比增益进一步增加，目标的检测概率进一步得到提高；随着阵元数的增加信噪比增益逐渐增大并趋于稳定，目标的检测概率相比于单阵元也逐渐增大并趋于稳定值。