基于时间反演电磁波的稀疏阵列单频信号空间功率合成

基于时间反演技术, 建立了稀疏阵列单频信号相干合成的数学模型, 定义了合成效率函数概念, 推导出合成信号幅度最大时刻目标点合成效率值的统计特征与相位误差及阵元数的关系表达式, 并通过理论分析与仿真计算研究了相位误差对时间反演单频信号合成效果的影响. 分析表明, 当其他参数确定时, 假设相位误差服从一定范围的均匀分布, 且相互独立, 则峰值功率时刻的合成效率均值与阵元数无关, 仅与误差分布范围有关; 峰值功率时刻的合成效率方差与两者均相关, 且误差分布范围确定时, 阵元数越大, 峰值功率时刻的合成效率方差越小. 仿真计算结果表明, 即使存在一定的相位误差, 利用时间反演技术, 仍可实现单频信号在目标点邻域的相干合成及能量聚焦; 对相位误差的控制精度应结合需求与实现条件折中考虑. 本文的方法与结论可为研究稀疏阵列功率合成在高功率微波武器等技术中的应用提供理论依据.     

基于抛物面天线阵的空间功率合成技术

为提高微波空间合成的效率和经济性,提出了一种基于抛物面天线阵的空间功率合成技术。采用抛物面天线作为天线阵列的基本辐射单元,综合考虑空间功率合成效率和相位一致性之间的关系,通过数值分析和理论公式对比得出：合成效率只与单元的幅度和相位有关,与合成单元的数量无关。对阵列单元、天线阵的合成效率进行了软件仿真,得到的合成效率约为92%。结合实验结果,分析了影响合成效率的因素和提高合成效率的方法。     

密集阵高功率微波空间功率合成

对基于矩形阵列的高功率微波二维密集阵阵列合成进行了研究。仿真分析了均匀矩形栅格阵列的远场方向图,结果表明采用密集阵可以实现高效的、具有确定主波束的空间功率合成。并分析了阵元间距及阵元初相位对阵列空间功率合成的影响,结果表明：阵元间距越小,栅瓣越少,主波束宽度越宽,具有确定主波束的临界距离越小;当目标高度超过阵临界距离时,阵元初相位相差越小合成效率越高,阵列初相位分布范围超过/2时,阵列得不到确定的主波束,进行阵列设计时应充分考虑阵元间距及初相位对阵列合成的影响。     

密集阵高功率微波空间功率合成

对基于矩形阵列的高功率微波二维密集阵阵列合成进行了研究。仿真分析了均匀矩形栅格阵列的远场方向图,结果表明采用密集阵可以实现高效的、具有确定主波束的空间功率合成。并分析了阵元间距及阵元初相位对阵列空间功率合成的影响,结果表明:阵元间距越小,栅瓣越少,主波束宽度越宽,具有确定主波束的临界距离越小;当目标高度超过阵临界距离时,阵元初相位相差越小合成效率越高,阵列初相位分布范围超过/2时,阵列得不到确定的主波束,进行阵列设计时应充分考虑阵元间距及初相位对阵列合成的影响。     

随机相位微波功率的空间合成效率

 采用数值计算方法,将微波功率源输出信号的相位差视为等概率分布的随机事件,通过阵列天线平均增益定量计算了多微波源空间功率合成效率;分析了随机相位条件下,天线单元间耦合系数、极化方式和单元增益对合成效率的影响。计算结果表明：多微波源在随机相位条件下进行空间功率合成,阵列天线单元之间的相互耦合将造成合成效率严重下降;而天线类型、极化方式和天线单元增益对合成效率的影响较小。     

随机相位微波功率的空间合成效率

采用数值计算方法,将微波功率源输出信号的相位差视为等概率分布的随机事件,通过阵列天线平均增益定量计算了多微波源空间功率合成效率;分析了随机相位条件下,天线单元间耦合系数、极化方式和单元增益对合成效率的影响。计算结果表明：多微波源在随机相位条件下进行空间功率合成,阵列天线单元之间的相互耦合将造成合成效率严重下降;而天线类型、极化方式和天线单元增益对合成效率的影响较小。     

高功率微波空间功率合成的初步研究

 针对目前高功率微波相位难以精确控制的情况,结合高功率微波空间功率合成的应用,对有源天线阵列的平行波束和交叉波束的空间功率合成作了初步研究。分析表明：当关注的是远区主方向邻近的小立体角区域时,若能做到控相激励,宜采用紧凑阵的平行波束合成;若不能控相,宜采用稀疏阵的平行波束合成。当关注的是远处目标物邻近的区域时,若能做到控相激励,宜采用紧凑阵的平行波束合成;若不能控相,则宜采用稀疏阵的交叉波束合成,但波束交汇区域能量呈网状分布,进行阵布局、倾斜角设计时,要在目标尺度、目标距离、单源功率、工作频率等诸多因素间权衡考虑。     

高功率微波空间功率合成的初步研究

针对目前高功率微波相位难以精确控制的情况,结合高功率微波空间功率合成的应用,对有源天线阵列的平行波束和交叉波束的空间功率合成作了初步研究。分析表明：当关注的是远区主方向邻近的小立体角区域时,若能做到控相激励,宜采用紧凑阵的平行波束合成;若不能控相,宜采用稀疏阵的平行波束合成。当关注的是远处目标物邻近的区域时,若能做到控相激励,宜采用紧凑阵的平行波束合成;若不能控相,则宜采用稀疏阵的交叉波束合成,但波束交汇区域能量呈网状分布,进行阵布局、倾斜角设计时,要在目标尺度、目标距离、单源功率、工作频率等诸多因素间权衡考虑。     

稀疏阵列交叉波束相干信号空间功率合成（英）

以稀疏阵相干信号干涉合成原理为基础,建立了相干信号空间功率合成数学模型。基于合成效率的概念,推导分析了交叉波束下波束交叉角度与目标点合成效率的关系。设计了栅基实验,对实验中栅格尺度的选定原则进行了推算分析,为利用计算机无失真地复现多点源功率合成能量分布规律打下了理论基础。通过仿真分析了波束交叉角度对有效功率点分布的影响。结果表明,在多点源与目标点等距、各点源频率相同、极化方向一致的情况下,目标点合成效率仅与空间中各点源之间夹角有关。当波束交叉时,有效功率点密集度与波束交叉角度有关。     

稀疏阵列交叉波束相干信号空间功率合成（英）

以稀疏阵相干信号干涉合成原理为基础,建立了相干信号空间功率合成数学模型。基于合成效率的概念,推导分析了交叉波束下波束交叉角度与目标点合成效率的关系。设计了栅基实验,对实验中栅格尺度的选定原则进行了推算分析,为利用计算机无失真地复现多点源功率合成能量分布规律打下了理论基础。通过仿真分析了波束交叉角度对有效功率点分布的影响。结果表明,在多点源与目标点等距、各点源频率相同、极化方向一致的情况下,目标点合成效率仅与空间中各点源之间夹角有关。当波束交叉时,有效功率点密集度与波束交叉角度有关。     

常规速调管空间功率合成微波源

基于常规速调管,研制了用于开展空间功率合成实验的微波源系统。介绍了50 MW超大功率速调管发射机的系统组成、大功率速调管、相位控制及高功率测试系统等。重点阐述了超大功率速调管发射机的关键技术,并针对超大功率发射机的设计难点提出了具体的解决方案。为提高超大功率发射机的可靠性,设计了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的感应叠加型全固态调制器。给出了超大功率发射机的测试结果,并探讨了超大功率速调管发射机的改进方法。最后对基于常规速调管,研制用于空间功率合成微波源系统的发展进行了展望。     

常规速调管空间功率合成微波源

基于常规速调管,研制了用于开展空间功率合成实验的微波源系统。介绍了50 MW超大功率速调管发射机的系统组成、大功率速调管、相位控制及高功率测试系统等。重点阐述了超大功率速调管发射机的关键技术,并针对超大功率发射机的设计难点提出了具体的解决方案。为提高超大功率发射机的可靠性,设计了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的感应叠加型全固态调制器。给出了超大功率发射机的测试结果,并探讨了超大功率速调管发射机的改进方法。最后对基于常规速调管,研制用于空间功率合成微波源系统的发展进行了展望。     

基于Shape Context和尺度不变特征变换的多模图像自动配准方法

提出了基于修正的尺度不变特征变换（SIFT）特征提取和Shape Context特征描述算子相结合的多模图像自动配准算法,该算法利用修正的SIFT算法提取多模图像中的特征点,然后采用Shape Context算子描述特征点,利用特征点周围区域边缘点的梯度方向形成特征向量。采用欧氏距离作为匹配标准对多模图像中特征点进行初始匹配,然后通过RANSAC算法消除误匹配的特征点对,并采用最小二乘法计算仿射变换参数,最后通过仿射变换和双线性插值实现图像配准。对红外图像和可见光图像的配准实验结果表明了本算法的有效性和稳定性。     

时间反转镜用于被动检测技术的研究

从信道理论出发研究了时间反转镜的聚焦效应,提出时间反转镜空间滤波技术,对其空间匹配特性、处理增益、检测能力、稳健性作了仿真研究。仿真结果表明,利用了海洋信道的相干多途特性,时间反转镜可实现信号的空间匹配滤波,从而对目标进行检测,检测能力强。     

矢量反转镜时空滤波技术研究

从信道理论出发研究了时间反转镜的聚焦效应,提出矢量反转镜时空滤波技术,对其空间匹配特性、处理增益、检测能力、稳健性作了研究。结果表明:利用海洋信道的相干多途特性,矢量反转镜可实现信号的空间匹配滤波;利用了相干源信号声压、振速相关性与各向同性干扰声压、振速相关性的差异,矢量反转镜可完成信号的时间匹配滤波。因而较传统的反转镜技术,利用矢量反转镜时空滤波技术进行目标无源检测可获得更好的检测性能、更低的检测阈及更强的稳健性。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80 %的概率从19.4 %提升到了51.3 %,取得了较为明显的相干合成效果。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从19.4%提升到了51.3%,取得了较为明显的相干合成效果。     

基于随机并行梯度下降算法的光束相干合成技术

介绍了随机并行梯度下降算法的基本原理,对算法流程进行了仿真验证,并对其中随机扰动幅度和增益系数两个关键参数进行了仿真分析。分析结果表明,这两个参数存在一个最适区间,只有在此区间内取值时算法才能有效收敛。以仿真分析为依据开展了光纤激光的相干合成实验,结果表明光束相干合成效果显著,有效地验证了仿真分析的结果。