时间反演及其在高功率微波技术中的应用研究

高功率微波技术在军事和民用领域都有着广泛的应用，而如何进一步提高其输出功率是亟待解决的关键问题。基于时间反演的天线阵列空间功率合成技术为实现更高的功率输出提供了一条有效的途径。本项目在研究时间反演理论和算法的基础上，研究基于时间反演的具备自适应聚焦能力的天线阵列系统的设计方法，并对其基本性能进行评估。结合全局优化算法，利用大规模并行的时域全波模拟方法，研究天线阵列布局和相关物理参数对自适应聚焦效果的影响。研究复杂的电磁环境下目标精确定位的方法，探索针对非合作目标实现空间功率合成的技术方法。在前述研究的基础上，提出基于时间反演的高功率微波天线阵列系统的原理性实验方案。本项目的研究在高功率微波的空间功率合成技术与阵列天线技术、空中非合作目标的探测与打击、深空探测、肾结石与肿瘤的探测与破坏、导体目标的缺陷探测、地下导体目标探测、海底矿藏的探测、长距离通信等方面具有重要的实用意义和军事民用价值。

本项目在研究电磁波时间反演理论和实现算法的基础上，结合时域全波仿真方法和全局优化算法，提出了基于时间反演的聚焦天线和阵列的设计方法，以及复杂电磁环境下的目标定位方法。根据时间反演电磁波的自适应时空聚焦特性，推导了超宽带高功率微波信号的空间功率合成条件，并提出了基于时间反演理论分析辐射波的快速方法和采用瞬态方向图对脉冲信号聚焦特性进行评估的方法。结合优化算法设计仿真了横电磁喇叭阵列、前馈式反射面脉冲辐射天线、阵馈抛物柱反射面等可在远场实现超宽带微波脉冲功率合成（聚焦）的系统，并分析了阵列布局和相关物理参数对远场聚焦效果的影响。同时利用时间反演原理，研究了复杂电磁环境下对目标进行精确定位的方法。手段上，采用小波变换法、奇异值分解法消除迭加在信号中的随机噪声干扰，利用自适应干扰消除技术去除强背景散射体的干扰，通过短时傅里叶变换建立起了滤波器机制实现预补偿，利用时间反演技术实现相位偏移的自动纠正。为了弥补传统的时间反演算法的成像缺陷，建立了空谱矩阵，提出了空谱成像方法、SF_MUSIC成像方法、幅值相位估值的时间反演成像算法等一系列方法，进一步提高了定位精度，并可延伸至对非合作目标进行空间功率合成。最后提出了基于时间反演的高功率微波阵列系统的原理性实验方案。本项目深入研究了时间反演电磁波的时空聚焦特性和与环境的相互作用机制，基于时间反演的具备自适应聚焦能力的天线阵列系统的设计方法，并与多种优化算法相结合实现了对多变量、非线性问题优化的高效全局优化算法，为高效率的聚焦天线的设计奠定了良好的理论基础和技术积累。另外，本项目采用时间反演技术实现目标定位的研究，很好地解决了复杂电磁环境中的信号畸变问题，为目标定位成像研究提供了一种新的技术途径。