時(shí)間反演技術(shù)的未來發(fā)展應(yīng)用研究

時(shí)間反演技術(shù)的時(shí)空聚焦特性及其應(yīng)用近十年來被廣泛研究，尤其利用復(fù)雜的電磁場多徑環(huán)境下具有的時(shí)空聚焦特性在無線通信和功率合成兩方面領(lǐng)域中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究使得近年來基于時(shí)間反演的電磁波研究得到了長足的發(fā)展。本綜述首先介紹了時(shí)間反演技術(shù)在電磁場領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用原理和最新研究進(jìn)展，其次就時(shí)間反演技術(shù)的未來發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】時(shí)間反演技術(shù) 無線通信系統(tǒng) 成像系統(tǒng)

1 引言

2004年，時(shí)間反演技術(shù)被引入到電磁學(xué)領(lǐng)域，人們開始探索時(shí)間反演技術(shù)在電磁波系統(tǒng)中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，利用時(shí)間反演技術(shù)同樣可以實(shí)現(xiàn)電磁波的時(shí)空同步聚焦。因此，TR技術(shù)除了可以應(yīng)用于當(dāng)前復(fù)雜媒質(zhì)中目標(biāo)的探測與成像上，也可用在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)有所貢獻(xiàn)。

雖然目前基于TR技術(shù)的研究與應(yīng)用仍處于起步階段，但是隨著科研工作者的不斷探索，TR技術(shù)將逐步應(yīng)用于隧道火車無線控制系統(tǒng)、電磁混沌感知系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、雷達(dá)探測成像系統(tǒng)、高壓聲學(xué)脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)、深海水下通信系統(tǒng)等。

2 TR技術(shù)在電磁領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2.1 隧道火車無線控制系統(tǒng)

在隧道火車無線控制系統(tǒng)中，TR技術(shù)主要應(yīng)用于火車與火車、火車與沿線之間的通信。2004年4月，人們首次將超寬帶（UWB）技術(shù)應(yīng)用于火車通信，提出了一種基于UWB的與火車軌道共線的網(wǎng)絡(luò)。利用TR技術(shù)在通道前端對信號(hào)進(jìn)行篩選，增強(qiáng)信號(hào)探測，減少干擾，這樣接收部分不需要使用復(fù)雜的算法，使得信號(hào)探測過程大大簡化。而UWB技術(shù)可以將一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)通過利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳變時(shí)間擴(kuò)頻技術(shù)，使其能同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌間環(huán)線車地通信、火車定位以及障礙探測功能。TR的技術(shù)規(guī)則如圖1所示：首先在A點(diǎn)對頻道沖激響應(yīng)進(jìn)行評估和記錄，然后將數(shù)據(jù)通過一個(gè)時(shí)間反演濾波器，產(chǎn)生時(shí)間反演的頻道沖激響應(yīng)，最后利用傳輸信道將結(jié)果傳送到B點(diǎn)。

2.2 高壓聲學(xué)脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)

當(dāng)把一個(gè)多重散射煤質(zhì)嵌入在一個(gè)充滿液體的反射腔中時(shí)，可以產(chǎn)生一種高壓力脈沖超聲源，將傳統(tǒng)的低功率電子超聲圖像探針轉(zhuǎn)變成需要高壓力聚焦脈沖的高功率探針。由于反響介質(zhì)的TR聚焦可以采用無序介質(zhì)，所以可以在有限數(shù)量的傳輸單元區(qū)域內(nèi)提供一個(gè)大范圍的動(dòng)態(tài)時(shí)空聚焦。另外，利用時(shí)間反演腔內(nèi)的多重混響效應(yīng)，腔內(nèi)就可以產(chǎn)生虛擬聲源。

1997年，有人進(jìn)行了波導(dǎo)中的時(shí)間反演聚焦的實(shí)驗(yàn)，表明有界煤質(zhì)可以提高焦斑。1999年，Derode等證實(shí)了可以通過一個(gè)2D腔的一位時(shí)間反演，將壓縮脈沖放大12dB，而且時(shí)空分辨率保持不變。2001年，Montaldo等用一個(gè)固體金屬腔（如圖2所示）來將超聲波脈沖聚焦到水里，但是這個(gè)封閉腔受到傳輸?shù)侥繕?biāo)煤質(zhì)的能量的限制，初始的縱向波會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄M波，在接口處的突然阻抗失配限制了進(jìn)入目標(biāo)煤質(zhì)的脈沖傳輸。2009年，Sarvazyan等對這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，將原反射腔替換成一個(gè)被空氣包圍，充滿水并且其中一段是開口的反射腔（如圖3所示）。這個(gè)反射腔可以產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)焦點(diǎn)，并使它們能在我們想要的聚焦系統(tǒng)的離軸線上進(jìn)行電子轉(zhuǎn)向。但是由于這個(gè)開放腔和共振器差不多，因此不能在焦點(diǎn)上進(jìn)行振幅增強(qiáng)。

2.3 海水下通信系統(tǒng)

TR技術(shù)可以通過開發(fā)空間維度來獲取很好的時(shí)空聚焦，從而減輕符號(hào)間干擾，這一特性使得其可以應(yīng)用于深海通信系統(tǒng)中。1991年，Stojanovic等[7]在200km左右的深海中用1KHz的載波和兩個(gè)水中聽音器進(jìn)行了一次相位耦合的通信實(shí)驗(yàn)，傳輸速率達(dá)到了1000bit/s。另外兩個(gè)位于50KM深海中的實(shí)驗(yàn)用了1.7KHz的載波和幾個(gè)水中聽音器，傳輸速率分別達(dá)到了400bit/s和200bit/s。2008年，Song等對X線斷層攝影術(shù)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，證實(shí)了在3250米的深海里，仍然可以進(jìn)行相位耦合通信。通過應(yīng)用20個(gè)垂直陣列和TR等效原理，可以在75Hz的載波頻率下傳輸速率達(dá)到37.5bit/s。2011年12月，Shimura等[11]在日本600米的深海里用放置在聲道軸的一個(gè)450Hz-550Hz固定源和一個(gè)18單元的垂直陣列，通過16次正交調(diào)幅和TR等效，獲得了400bit/s的傳輸速率。

2.4 TR技術(shù)在無線充電系統(tǒng)的研究

18世紀(jì)末19世紀(jì)初，Nikola Tesla首次提出了無線充電的概念，并且在科羅拉多實(shí)驗(yàn)站的地面上用無線供電的方式成功點(diǎn)亮了一個(gè)燈泡。Soliacic和Joannopoulos提出使用共振頻率相同的共振線圈，這樣可以對幾米外的物體進(jìn)行無線充電。近年來，有人提出了一種使用反向陣列天線的無線充電方式。該方法可以基于時(shí)間反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)間反演信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)多徑信號(hào)的時(shí)空聚焦以達(dá)到無線充電的功能。

2.5 光學(xué)成像與雷達(dá)探測成像系統(tǒng)

利用光學(xué)相位共軛，可以對生物組織中的散射光進(jìn)行時(shí)間反演，因此TR技術(shù)可應(yīng)用于深部組織成像。由于生物組織中的光具有高效傳遞性，并且深度光學(xué)成像時(shí)組織有高度散射煤質(zhì)特性，所以盡管光散射是隨機(jī)出現(xiàn)的，但它仍是一個(gè)確定的過程。我們可以通過準(zhǔn)確記錄散射波的相位和振幅，產(chǎn)生一個(gè)和散射波共軛的波，并將其反射回散射煤質(zhì)，從而空出散射組織的作用。目前有人發(fā)明了一種可以產(chǎn)生光學(xué)相位共軛的光電系統(tǒng)，可以輕易的產(chǎn)生能源充足，能為不同的實(shí)際應(yīng)用而靈活選擇的光學(xué)相位共軛區(qū)域。

對破碎環(huán)境中目標(biāo)的雷達(dá)探測成像，主要的方法是將TR技術(shù)和DORT技術(shù)融合：把DORT技術(shù)應(yīng)用于元件間矩陣，從而可以在目標(biāo)上選擇聚焦點(diǎn)，減少混亂環(huán)境的影響，再使用TR技術(shù)對聚焦波的相位進(jìn)行共軛處理。當(dāng)信號(hào)利用TR技術(shù)通過任意一個(gè)工作在時(shí)域上的波形發(fā)生器時(shí)，可以使得聚焦波的反向傳播更為容易，而當(dāng)通過一個(gè)工作在頻域上的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)在所給帶寬上的相位共軛和脈沖合成。目前，已經(jīng)研究出了一個(gè)工作在2-4GHz頻率寬度的雷達(dá)模型，如圖4所示[16]：在接收端和信號(hào)源端都有一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，TR前端由8個(gè)UWB天線（A1-A8）和一個(gè)附加的天線（A9）構(gòu)成，天線都是對稱的指數(shù)漸變槽線天線，功分器用來合并或分離8個(gè)頻道，天線和移相器用來分別限制可利用頻率的高低邊界。

3 未來發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

未來的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：

（1）對于TR算法，可以對其進(jìn)行擴(kuò)展，增加迭代的次數(shù)，盡可能的使其收斂。

（2）對于TRM，可以對其中的陣列元素進(jìn)行改動(dòng)，使得算法在多目標(biāo)情況下更為簡單。

（3）在隧道火車控制系統(tǒng)中，可以對使用的UWB技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，更準(zhǔn)確測量通信者之間的距離，從而大大提高其可靠性。

（4）可以對流動(dòng)環(huán)境下的水下通信進(jìn)行研究，或者對其中的TR算法進(jìn)行正交處理，以擴(kuò)大通信距離和提高通信質(zhì)量。

當(dāng)然，TR技術(shù)在電磁場中的發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)，一是如何將TR技術(shù)完美融合在我們使用的系統(tǒng)中，二是TR算法的處理和優(yōu)化。盡管它面臨一些挑戰(zhàn)，但是TR技術(shù)的特有的時(shí)空聚焦效果使得它具有光明的前景，對未來的科技發(fā)展有著不可忽視的作用。

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作者簡介

卜婷婷（1990-），女，貴州省安順市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為專利審查員。主要研究方向?yàn)闀r(shí)間反演與天線。

作者單位

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 四川省成都市 610213