曲波域统计量自适应阈值探地雷达数据去噪技术

非线性、非平稳探地雷达数据常掺杂各种复杂噪声源,其对精确提取弱反射波信号、识别绕射波双曲线同相轴特征具有严重影响,忽略噪声影响给探地雷达探测数据全波形偏移成像及后续解译造成较大误差.采用传统阈值函数的曲波变换去噪需要根据数据噪声水平人为确定合理阈值控制系数.对此,本文开展自适应阈值函数的曲波变换去噪算法研究.引入块状复数域阈值函数算法,分析传统阈值函数曲波变换去噪的效果随阈值控制系数变化的规律;利用高阶统计量理论,对曲波变换系数在尺度、方向上进行相关性叠加,通过相关性统计量自适应确定有效信号在曲波变换系数分布尺度、旋转方向,由此确定清除噪声成分阈值范围,构建统计量自适应阈值函数曲波变换去噪算法.针对包含随机噪声、相关噪声合成探地雷达数据及实测探地雷达数据,采用传统阈值函数曲波变换去噪与本文提出去噪算法处理结果对比分析,检验了本文算法的有效性及可行性.研究成果对复杂探地雷达数据精确推断解译具有指导意义.     

超越SNOM探针通光孔径尺寸的金属纳米间隙超分辨测量

采用电磁场有限元方法,数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜(aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM)在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构,改变天线长度和纳米间隙尺寸,计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线,实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量,对于100nm通光孔径的探针,可分辨最小尺寸为10nm(0.016倍波长)的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果,表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面等离激元的激发.     

具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

提出了一款具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出(UWB MIMO)天线。该天线由两个相同的半切超宽带天线单元倒置构成。通过在天线底板刻蚀栅栏型缺陷地解耦结构,使该MIMO天线的隔离度提高至25 dB。此外,在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的"L"型缝隙,实现了双陷波的功能,分别抑制了802.16无线城域网WiMAX(3.2~3.7 GHz)和WLAN(5.15~5.85 GHz)信号对天线系统的干扰。实验结果表明,该天线在3~11 GHz工作带宽内的隔离度大于25 dB,包络相关系数(ECC)小于0.004;第一个陷波频段为3.0~3.7 GHz,第二个陷波频段为5.1~5.85 GHz,有效抑制了WiMAX和WLAN的信号干扰。     

光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究

针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明:微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50~0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。     

太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内，广泛应用的光谱测量技术。这种技术可以用于许多物质的频谱分析，对于研究化学、半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。然而用该系统进行样品探测时，受回波的影响频谱分辨率较低；受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响，样品消耗量较多，并且整个系统的占用空间较大，这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性，设计了一种将太赫兹泵浦区、探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统，该系统不仅能够解决上述系统的局限性，还能够省去样品测量前的光路准直环节，使样品的测量过程更加简便，同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。在太赫兹片上系统中，泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成，由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制，如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底，并将其转移与键合，是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。首先利用分子束外延（MBE）技术制备出由半绝缘砷化镓、砷化镓缓冲层、砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片，然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理，将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉，从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜，研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度，即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。相比于已有工艺，这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。最后，将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上，并制成光电导天线的结构。利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。由此说明，低温砷化镓薄膜的获取、转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求，这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。     

Constrained radar waveform optimization for a cooperative radar-communication system

The coexistence of radar-sensing and communication systems research has received a surge of interest in recent times to tackle the issue of spectrum inadequacy. Designing an optimized radar waveform for a coexistence scenario has been a challenging task for accomplishing the convergence of radar-sensing and communication functionalities, without degrading the performance at either end. This paper proposes a novel global optimization-based Spatial Branch and Bound (SBnB) approach to optimize the phase coefficients of a Non-Linear Frequency Modulated (NLFM) waveform in a CRCS framework. In addition, the Modified-Power Ratio Constraint-Cramér–Rao Lower Bound (M-PRC-CRLB), a local optimization-based approach is proposed to optimize the phase coefficients of an NLFM waveform. The spectral energy distribution and auto-correlation characteristics of an NLFM waveform are comprehensively investigated for various values of polynomial order (N) and at different threshold Signal-to-Noise-Ratio (SNR) values. To compare the proposed waveform design approaches (M-PRC-CRLB, SBnB) with the existing waveform design approaches namely, Minimum Estimation Error Variance (MEEV) and PRC- CRLB, a Peak-to-Side-Lobe-Ratio (PSLR), and Integrated-Side-Lobe-Ratio (ISLR) are evaluated at various polynomial orders and threshold SNR values. Furthermore, the performance of a CRCS is assessed using the radar estimation rate and communication data rate. The simulation results reveal that the proposed optimized radar waveform design approaches provide improved performance compared to the existing radar waveform design approaches in terms of radar estimation rate. Further, the proposed global optimization-based SBnB approach achieves a comparable performance of the communication data rate. In addition, the proposed approaches accomplish enhanced spectral utilization, controlled side-lobe energy levels, reduced range-domain ambiguities, and a higher information rate in a CRCS.     

High gain and circularly polarized substrate integrated waveguide cavity antenna array based on metasurface

Two substrate integrated waveguide (SIW) cavity antenna arrays based on metasurface are proposed in this paper. By rotating the metasurface element, circularly polarized and high gain antennas are achieved respectively. Firstly, multi-mode resonance theory is employed to broaden the bandwidth of the slot antenna. And then, an SIW cavity composed of 4×4 cornercut elements is added on the top of the slot antenna to achieve the circular polarization and improve the front-to-back ratio. Thirdly, the metasurface elements are sequentially rotated and a high gain antenna with 2-dBi enhancement on average in the operation band is obtained. Based on the two antenna units, two 2×2 antenna arrays are designed. The circularly polarized and high gain antenna arrays are both fabricated to verify the correctness. Furthermore, the novel wideband phase shifter is employed in the circularly polarized antenna to obtain an operating bandwidth of 38% (4.05 GHz-5.95 GHz) and AR bandwidth of 24.9% (4.4 GHz-5.65 GHz). The bandwidth of the high gain antenna can reach 42.7% (3.95 GHz-6.1 GHz) and with the gain enhancement of 2 dBi compared with that of the circularly polarized antenna. The gain remains steady in most of operating band within a variation of 1 dBi. It is remarkable that the rotating of the metasurface element has a great influence on the antenna performance, which provides a new explication for the multi-function antenna design.     

强爆炸冲击波作用下天线结构的离散变量优化设计

首先建立了强爆炸冲击波作用下天线结构受精度和应力约束的连续变量优化设计数学模型 ;其次 ,根据材料特点 ,将设计变量取为离散变量 ,提出了天线结构在强爆炸冲击波作用下受精度和应力约束的离散变量优化设计数学模型。采用离散变量优化算法离散复合形法 ,对强爆炸冲击波作用下的 8m天线进行了优化计算。结果表明 ,经优化设计后 ,天线重量仅为初始重量的 4 0 %。     

外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器中的两个混沌偏振分量对两个复杂形状目标中的多区域精确测距

基于外部光注入的光泵浦自旋垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface-emitting laser,VCSEL)的两个混沌偏振分量,提出了对两个复杂形状目标中的多区域精确测距方案.这里,两个混沌偏振探测波具有飞秒量级快速动态并且被双极性sinc波形调制,使它们具有时空不相关特性.利用这些特性,通过计算多束延时反馈混沌偏振探测波形和与之相对应的参考波形的相关性,实现了对两个复杂形状目标多区域位置矢量精确测量.研究结果表明,对多区域小目标的测距具有非常低的相对误差(低于0.94%).当光电探测器的带宽足够大时,其测距的分辨率达到0.4 mm,并具有很强的抗噪声能力.本文的研究结果在复杂形状目标的精确测距方面具有潜在应用.     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。