一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法与流程

1.本发明涉及雷达、通信、探测及高功率微波技术领域，具体为一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法。


背景技术：

2.时间反演脉冲压缩是一种新颖的脉冲压缩技术。它主要基于时间反演腔，利用时间反演技术对脉冲信号进行压缩，从而提高信号的输出幅度，产生更高峰值的功率，其在雷达、通信、高功率微波方面有着许多潜在的应用。脉冲压缩有多种形式，而时间反演脉冲压缩是一种无源脉冲压缩技术，具有功率容量高的特点，尤其适用于产生高功率微波脉冲。
3.在通常情况下，时间反演腔采用两端口或多端口腔体形式。在这种情况下，它具有多个关联信道，从而导致在时间反演过程中出现信道串扰，降低了时间反演脉冲压缩的效率。例如，在两端口时间反演腔的反演过程中，只有部分能量用于生成重构信号，还有部分能量通过输入端口反射出来。这严重降低了系统的反演性能，尤其是反演脉冲压缩的效率(通常在20％左右)，非常不利于实际应用。


技术实现要素：

4.为了提高时间反演脉冲压缩效率，使得系统具有实际可用性，本发明主要解决的技术问题是提供一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，单端口时间反演腔只有一个信道，因此它没有信道串扰，可提高输入信号的利用率。在实际应用中，具体措施就是利用单端口反演腔和环形器的方法从而构成一个单向的输入通道，充分利用了腔体散射引起的端口反射信号。由此，该方法可有效提高时间反演脉冲压缩的效率。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，具体包括如下步骤：
6.步骤1，构建一个单端口时间反演腔和环形器组合系统；
7.步骤2，将初始信号s
ori
(t)通过环形器输入端口注入到时间反演腔中，在环形器的输出端口可获得响应信号s
res
(t)，其中t表示时间；
8.步骤3，将获得的响应信号s
res
(t)进行时间翻转为s
res
(-t)并进行预处理，记为反演信号s
rev
(t)＝s
res
(-t)；
9.步骤4，将反演信号s
rev
(t)从环形器的输入端口再次注入到时间反演腔中，通过时间反演腔后，可在环形器的输出端口产生脉冲压缩信号，并获得与初始信号s
ori
(t)相似的脉冲波形。
10.优选的，所述步骤1采用单端口时间反演腔与环形器串联，构成了一个单信道的时间反演系统，环形器分别设置有输入端口、输出端口。
11.优选的，所述步骤2中时间反演理论从系统的一个正向激励和逆向反演过程获得，采用下式表示时间反演重构过程：
12.s
rec
(t)＝s
rev
(t)*h(t)＝s
ori
(t)*h(t)*h(-t)
ꢀꢀꢀ
(1)
13.式(1)中，s
ori
(t)、s
rev
(t)和s
rec
(t)分别表示为初始信号、反演信号和重构信号；h(t)为系统的冲激响应函数，t为时间，h(-t)为系统的冲激响应函数的逆；
14.在理想条件下，冲激响应函数自相关函数满足：h(t)*h(-t)＝δ(t)，其中δ(t)为奇异函数；也就是说，在理想条件下，有s
rec
(t)＝s
ori
(t)；但是，在实际情况下，由于系统的损耗、串扰特征导致s
rec
(t)≠s
ori
(t)。
15.优选的，所述步骤3中除了信道内的路径串扰之外，具有相同输入端口的信道之间也存在串扰，从而构成了关联信道；会损耗反演信道内传输的能量，因此信道串扰将会降低反演性能；根据多径信道理论，两关联信道之间的串扰特征采用互相关函数κ
i,j
表示为:
16.κ
i,j
＝hi(t)*hj(-t),i≠j
ꢀꢀꢀ
(2)
17.式(2)中，i和j分别表示两个关联信道，hi(t)为第i信道的冲激响应函数，hj(-t)为第j信道的冲激响应函数；关联信道之间的互相关函数应有κ
i,j
≠0，并且串扰到另一个信道上的响应s
cro,ij
(t)表示为:
[0018][0019]
式(3)中，a
i,i
′j′
表示第i信道中第i
′
条路径与第j
′
条路径之间的相关性；a
j,l
′i′
表示第j信道中第l
′
条路径与第i信道中第i
′
条路径的互相关性；k为相应信道的衰减系数；τ为相应路径的延迟时间；
[0020]
对于时间反演腔的两个不同信道，由于各自路径不同，因此相应路径的衰减系数k
i,i
′
与k
j,l
′
不同，即相关系数a
i,i
′j′
与互相关系数a
j,l
′i′
也不相同；因此，反演信道产生的旁瓣噪声与非反演信道串扰产生的响应通常也不同；所以用信道的“隔离度”来表征；根据时间反演腔信道响应可知，不同信道的传递函数不同或滤波特征不同；因此，隔离度用两信道传递函数“相似度”的倒数表示；由此，定义两信道之间的隔离度β
i,j
为：
[0021][0022]
式(4)中，h1(ω)和h2(ω)分别为两信道的传递函数；隔离度大于等于零；当隔离度等0时，两信道的传递函数完全相同；当隔离度为无穷大时，传递函数完全不同，可认为是完全隔离的；如果关联信道之间的隔离度越大，则反演过程中信道串扰越小，越有利于时间反演。
[0023]
本发明的有益效果：
[0024]
与现有技术相比，本方法结构简单、易于实现，在保证相同输入条件的情况下实现了脉冲压缩效率的有效提高。
[0025]
本发明是针对系统的时间反演特点，基于多信道时间反演理论，建立了单端口时间反演腔和环形器组合模式的一种方法，实现了脉冲压缩效率的有效提高。
[0026]
本发明方法利用单端口时间反演腔和环形器，只是轻微降低了系统的插入损耗，对时间反演系统影响不大。因此，在时间反演脉冲压缩过程中，该方法不但可有效提高压缩效率，而且还可提高脉冲压缩增益。
[0027]
本发明单信道时间反演脉冲压缩系统可以有效提高压缩效率；该方法是利用一个单端口时间反演腔和环形器组合，由此构成了只有一个信道的时间反演系统，减少了信道之间的串扰，从而可有效提高时间反演脉冲压缩的效率。
附图说明
[0028]
图1本发明的典型的单端口时间反演腔和环形器组合系统示意图；
[0029]
图2本发明示例中的实验验证布局图；
[0030]
图3本发明示例中的初始信号；
[0031]
图4本发明示例中的反演重构信号。
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0033]
请参阅图1、图2、图3和图4，本发明实施例包括：
[0034]
本发明的一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，利用单端口时间反演腔和环形器，从而减少反演过程中信道之间串扰，降低反演损耗，提高时间反演脉冲压缩效率，包括以下步骤：
[0035]
步骤1，构建一个单端口时间反演腔和环形器组合系统；
[0036]
步骤2，将初始信号s
ori
(t)通过环形器输入端口注入到时间反演腔中，在环形器的输出端口可获得响应信号s
res
(t)，其中t表示时间；
[0037]
步骤3，将获得的响应信号s
res
(t)进行时间翻转为s
res
(-t)并可进行预处理，记为反演信号s
rev
(t)＝s
res
(-t)；
[0038]
步骤4，将反演信号s
rev
(t)从环形器的输入端口再次注入到时间反演腔中，通过时间反演腔后，可在环形器的输出端口产生脉冲压缩信号，并获得与初始信号s
ori
(t)相似的脉冲波形。
[0039]
本发明主要用于时间反演脉冲压缩的峰值功率合成。为了提高时间反演系统输出的峰值功率，根据多信道时间反演理论，通过控制不同信道的反演信号时延，从而在重构端口获得峰值信号的叠加，以满足功率合成，从而提高时间反演系统的峰值输出功率。
[0040]
一、时间反演脉冲压缩效率分析的基本原理
[0041]
1)时间反演
[0042]
时间反演理论可从系统的一个正向激励和逆向反演过程获得，即可采用下式表示它的反演重构过程
[0043]srec
(t)＝s
rev
(t)*h(t)＝s
ori
(t)*h(t)*h(-t)
[0044]
式中，s
ori
(t)、s
rev
(t)和s
rec
(t)分别表示为初始信号、反演信号和重构信号；h(t)为系统的冲激响应函数。
[0045]
在理想条件下，冲激响应函数自相关函数满足：h(t)*h(-t)＝δ(t)。也就是说，在理想条件下，有s
rec
(t)＝s
ori
(t)。但是，在实际情况下，由于系统的损耗、串扰等特征导致srec
(t)≠s
ori
(t)。
[0046]
2)信道串扰
[0047]
除了信道内的路径串扰之外，具有相同输入端口的信道之间也存在串扰，从而构成了关联信道。这将会损耗反演信道内传输的能量，因此信道串扰将会降低反演性能。根据多径信道理论，两关联信道之间的串扰特征可采用互相关函数κ
i,j
可表示，
[0048]
κ
i,j
＝hi(t)*hj(-t),i≠j
[0049]
式中，i和j分别表示两个关联信道。根据分析可知，关联信道之间的互相关函数应有κ
i,j
≠0，并且串扰到另一个信道上的响应s
cro,ij
(t)可表示为
[0050][0051]
式中，a
i,i
′j′
表示第i信道中第i
′
条路径与第j
′
条路径之间的相关性；a
j,l
′i′
表示第j信道中第l
′
条路径与第i信道中第i
′
条路径的互相关性。
[0052]
对于时间反演腔的两个不同信道，由于他们各自路径不同，因此相应路径的衰减系数k
i,i
′
与k
j,l
′
不同，即相关系数a
i,i
′j′
与互相关系数a
j,l
′i′
也不相同。因此，反演信道产生的旁瓣噪声与非反演信道串扰产生的响应通常也不同。这与信道之间的串扰能力有关，可用信道的“隔离度”来表征。根据时间反演腔信道响应可知，不同信道的传递函数不同或滤波特征不同。因此，隔离度可用两信道传递函数“相似度”的倒数表示。由此，定义两信道之间的隔离度β
i,j
为
[0053][0054]
式中，h1(ω)和h2(ω)分别为两信道的传递函数；隔离度大于等于零。当隔离度等0时，两信道的传递函数完全相同。当隔离度为无穷大时，传递函数完全不同，可认为是完全隔离的。如果关联信道之间的隔离度越大，则反演过程中信道串扰越小，越有利于时间反演。
[0055]
根据腔体的滤波特征可知，通过微调腔体结构可实现时间反演腔不同信道的滤波频率不同。因此，在感兴趣的频率范围内，利用该方法可以提高信道之间的隔离度，使得反演信号能量主要通过反演信道传播，从而提高系统的反演性能。但一种更有效的方法是，构建一个单信道的时间反演系统使其在反演过程中不出现信道串扰。由此，本专利提出了单端口时间反演腔和环形器的组合模式。
[0056]
二、应用示例说明
[0057]
在该方法的实验验证中，构建一个准二维的单端口时间反演腔，如图2所示。为了说明问题，本示例采用单端口时间反演腔和环形器组合，从而构成了一个单信道(输入端
口-时间反演腔-输出端口)的时间反演系统，用于时间反演脉冲压缩。另外，实验中的初始信号为载波频率2.4ghz、脉宽3ns的高斯调制脉冲信号，如图3所示。图4为该方法得到的时间反演脉冲压缩结果与普通两端口时间反演脉冲压缩结果的比较。由此可见，在输入反演信号幅度相同的情况下，单端口反演重构信号幅度大于两端口结果。即单端口反演脉冲压缩效率有明显提高，压缩增益也优于两端口情况。
[0058]
该方法涉及时间反演理论、时间反演腔和高功率环形器。主要采用单端口时间反演腔和环形器的组合结构，使系统只有一个单向传输信道，反演信号在环形器的第一个端口输入并进入时间反演腔，经过时间反演腔后，重构信号通过环形器的输出端口输出；该方法可有效降低时间反演过程中的信道串扰，不但提高系统时间反演脉冲压缩的效率，而且还可提高脉冲压缩增益，改善系统的反演性能；具有结构简单、体积小、重量轻、易于实现，可产生高功率辐射等特点。
[0059]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，构建一个单端口时间反演腔和环形器组合系统；步骤2，将初始信号s
ori
(t)通过环形器输入端口注入到时间反演腔中，在环形器的输出端口可获得响应信号s
res
(t)，其中t表示时间；步骤3，将获得的响应信号s
res
(t)进行时间翻转为s
res
(-t)并进行预处理，记为反演信号s
rev
(t)＝s
res
(-t)；步骤4，将反演信号s
rev
(t)从环形器的输入端口再次注入到时间反演腔中，通过时间反演腔后，可在环形器的输出端口产生脉冲压缩信号，并获得与初始信号s
ori
(t)相似的脉冲波形。2.根据权利要求1所述的一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，其特征在于，所述步骤1采用单端口时间反演腔与环形器串联，构成了一个单信道的时间反演系统，环形器分别设置有输入端口、输出端口。3.根据权利要求1所述的一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，其特征在于，所述步骤2中时间反演理论从系统的一个正向激励和逆向反演过程获得，采用下式表示时间反演重构过程：s
rec
(t)＝s
rev
(t)*h(t)＝s
ori
(t)*h(t)*h(-t)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，s
ori
(t)、s
rev
(t)和s
rec
(t)分别表示为初始信号、反演信号和重构信号；h(t)为系统的冲激响应函数，t为时间，h(-t)为系统的冲激响应函数的逆；在理想条件下，冲激响应函数自相关函数满足：h(t)*h(-t)＝δ(t)，其中δ(t)为奇异函数；也就是说，在理想条件下，有s
rec
(t)＝s
ori
(t)；但是，在实际情况下，由于系统的损耗、串扰特征导致s
rec
(t)≠s
ori
(t)。4.根据权利要求1所述的一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，其特征在于，所述步骤3中除了信道内的路径串扰之外，具有相同输入端口的信道之间也存在串扰，从而构成了关联信道；会损耗反演信道内传输的能量，因此信道串扰将会降低反演性能；根据多径信道理论，两关联信道之间的串扰特征采用互相关函数κ
i,j
表示为:κ
i,j
＝h
i
(t)*h
j
(-t),i≠j
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，i和j分别表示两个关联信道，h
i
(t)为第i信道的冲激响应函数，h
j
(-t)为第j信道的冲激响应函数；关联信道之间的互相关函数应有κ
i,j
≠0，并且串扰到另一个信道上的响应s
cro,ij
(t)表示为:式(3)中，a
i,i
′
j
′
表示第i信道中第i
′
条路径与第j
′
条路径之间的相关性；a
j,l
′
i
′
表示第j信道中第l
′
条路径与第i信道中第i
′
条路径的互相关性；k为相应信道的衰减系数；τ为相应路径的延迟时间；对于时间反演腔的两个不同信道，由于各自路径不同，因此相应路径的衰减系数k
i,i
′
与k
j,l
′
不同，即相关系数a
i,i
′
j
′
与互相关系数a
j,l
′
i
′
也不相同；因此，反演信道产生的旁瓣噪声
与非反演信道串扰产生的响应通常也不同；所以用信道的“隔离度”来表征；根据时间反演腔信道响应可知，不同信道的传递函数不同或滤波特征不同；因此，隔离度用两信道传递函数“相似度”的倒数表示；由此，定义两信道之间的隔离度β
i,j
为：式(4)中，h1(ω)和h2(ω)分别为两信道的传递函数；隔离度大于等于零；当隔离度等0时，两信道的传递函数完全相同；当隔离度为无穷大时，传递函数完全不同，可认为是完全隔离的；如果关联信道之间的隔离度越大，则反演过程中信道串扰越小，越有利于时间反演。

技术总结
本发明公开了一种提高时间反演脉冲压缩效率的方法，具体包括如下步骤：步骤1，构建一个单端口时间反演腔和环形器组合系统；步骤2，将初始信号s


技术研发人员：陆希成 汪海波 郭昕伟 李治国
受保护的技术使用者：陆希成
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/14