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CN106684573A - 一种高效高功率微波空间功率合成方法 - Google Patents

一种高效高功率微波空间功率合成方法 Download PDF

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CN106684573A
CN106684573A CN201611036014.4A CN201611036014A CN106684573A CN 106684573 A CN106684573 A CN 106684573A CN 201611036014 A CN201611036014 A CN 201611036014A CN 106684573 A CN106684573 A CN 106684573A
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China
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antenna
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signal
target
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CN201611036014.4A
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钟选明
廖成
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Southwest Jiaotong University
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Southwest Jiaotong University
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种高效高功率微波空间功率合成方法，采用多个天线辐射的波束在空间进行功率合成。包含如下的步骤：1)在探测区域的一侧设置时间反演天线阵列，任取一个天线单元发射弱信号探测非合作目标，根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，同时建立空频多态响应矩阵，获取与目标对应的时间反演信号；2)时间反演天线阵列加大功率发射步骤1)所得时间反演信号，并将其将聚焦于目标位置处。本发明提出利用时间反演算法实现空间功率合成，提高了合成功率的效率，具有自适应聚焦能力，集非合作目标探测与空间功率合成于一体，高效地实现了高功率微波空间功率合成。

Description

一种高效高功率微波空间功率合成方法
技术领域：
本发明涉及一种高效的高功率微波空间功率合成技术，属于高功率微波领域。
背景技术：
近年来，超宽带高功率微波在定向能武器、冲激雷达、功率传输、高功率微波加热等领域迅速发展，随着这些应用需求的牵引，如何通过功率合成获取高功率微波成为急需解决的技术难点。目前，高功率微波功率合成有两种方法：一是采用固态功率合成技术，在设备的微波通道中获得相应的合成功率，但因受到高压电源和高功率器件等因素的限制，这种方法对输出功率的提高是极为有限的；二是采用多个天线辐射的波束在空间进行功率合成，该方法能较大地提高微波的有效辐射功率。
空间功率合成实现的方法主要有：平行束法、聚焦束法、交叉束法。平行束法多采用相控阵天线，阵列的每个单元可有各自独立的源和发射机，即避免了单个源功率分割的损耗，又可在空间某方向上合成较大的总功率，但这种方法仅适合于远场区域；聚焦束法，各天线分别置于类似抛物面的不同位置上，将各天线单元波束聚焦于其焦点，使焦点区域达到很高的合成功率密度，但这种方法受限于抛物面的尺寸；交叉束法指从一些不同位置，同时发出几个同频率和一定功率的波束，通过控制各波束的相位关系，使波束在预定的交叉区域合成足够强的功率，该法能够在波束交叉区域实现功率密度的有效增加，但如何精确控制各波束的相位，使每一波束同时达到指定区域，是一个技术难点。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种集目标探测与空间功率合成于一体的、高效的高功率微波空间功率合成方法，该方法在探测区域的一侧设置时间反演天线阵列，任取一个天线单元发射弱信号探测非合作目标，根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，确保每个天线单元直对非合作目标发射信号，同时建立空频多态响应矩阵，获取与目标对应的时间反演信号；然后天线阵列加大功率，发射时间反演信号，这些信号将聚焦于目标位置处。既能完成非合作目标的探测，又能在目标位置处实现空间功率合成，获得高功率微波，集非合作目标探测与空间功率合成于一体。
为实现本发明的目的，采用的具体措施如下：
一种高效高功率微波空间功率合成方法，采用多个天线辐射的波束在空间进行功率合成。包含如下的步骤：1)在探测区域的一侧设置时间反演天线阵列，任取一个天线单元发射弱信号探测非合作目标，根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，同时建立空频多态响应矩阵，获取与目标对应的时间反演信号；2)时间反演天线阵列加大功率，发射步骤1)所得时间反演信号，并将其将聚焦于目标位置处。
在实际实施时，所述时间反演天线阵列分解成许多个小天线阵列，小天线阵列根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，确保每个天线单元直对非合作目标发射信号。
采用本发明高功率微波空间功率合成方法，既能完成非合作目标的探测，又能在目标位置处实现空间功率合成，获得高功率微波。方法简单易行，功率合成效率高，达到理想合成功率的87.39％，是一种集非合作目标探测与空间功率合成于一体的高效的高功率微波空间功率合成技术，解决了传统空间功率合成技术由于先定位、后合成而不能有效衔接、合成效率与定位精度不高的问题。该技术可以用于地雷的探测与扫除，先发射弱信号以探测地雷的方位，再合成高功率微波使地雷失效；也可以用于肾结石、尿结石的探查与碎石，先发射弱信号以探测结石的方位，然后合成较高功率的微波(激光)使结石碎裂而排出体外，实现体外碎石，减轻病人痛苦。本发明提出利用时间反演算法实现空间功率合成，提高了合成功率的效率，具有自适应聚焦能力，集非合作目标探测与空间功率合成于一体，是一种高效的高功率微波空间功率合成技术。
附图说明
图1天线阵列与目标设置示意图。
图2空间功率合成示意图。
图3频率提高后空间功率合成示意图。
具体实施方式
经典功率合成是指在合成点对多路同频信号进行同相叠加，理论上，叠加后的电场幅值将呈线性增长，而功率以平方关系增长。当各路信号极化方向相同，时域波形一致时，多路时域信号可获得最大平均功率密度。
如图1，在探测区域的一侧设置N个天线单元的收发合置天线阵列，任取一个天线发射超宽带脉冲时域信号s(t)，所有天线单元接收目标反射的回波信号，对每个天线单元接收的时域信号kn(t),n＝1,2,…,N进行傅里叶变换，得到频域信号kn(ω),n＝1,2,…,N，进而得到空频多态响应矩阵：
矩阵K的第n行与第n个天线单元的接收信号相对应，为第n个天线单元采集的时域信号通过傅里叶变换后的频域离散值。奇异值分解矩阵K，即K＝UΛVH。U是一个N×N阶的左奇异向量矩阵。Ui表示U矩阵的第i列左奇异矢量，对应第i个目标，含有天线阵列与目标的空域信息，反映天线阵列与第i个目标的空间关系。利用Ui及探测信号s(t)的频域信号S(ω)，得到每个天线单元发射的用于功率合成的时间反演时域信号为
式中：表示傅里叶逆变换；S(ω)的中心频率与探测信号的中心频率可以保持一致，也可以不同。N个天线单元同时发射对应的时间反演信号，信号波峰将同时到达第i个目标位置处，并在该目标处实现功率合成。显然，N个时间反演信号频率相同，极化方向一致。合成功率的大小可以通过每个天线单元辐射信号的幅度Ai确定；每个天线单元的照射方向，根据回波到达的方向确定。
把N个天线单元分为(N-2)组，第1、2、3个天线单元为一组，第2、3、4个天线单元为一组，依此类推，第(N-2)、(N-1)、N个天线单元为一组。每一组天线可以看作是一个小天线阵列，当目标处于天线阵列的远场区时，到达每个小天线阵列的回波可以看作平行波。利用多类信号识别法计算平行波到达小天线阵列的方向，取第1组小天线阵列求出的到达波方向为第1、2个天线单元的主射方向，取第2组小天线阵列求出的到达波方向为第3个天线单元的主射方向，取第3组小天线阵列求出的到达波方向为第4个天线单元的主射方向，依此类推，第(N-2)组小天线阵列求出的到达波方向为第(N-1)与第N个天线单元的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，确保每个天线单元直对非合作目标发射信号。
如图1，设置两层媒质，一层为空气，一层为沙土或人体组织，在沙土或人体组织内设置一半径r＝2cm目标，媒质与空气的交界面设为x轴，y＜0区域是大气，7个理想收发合置天线单元沿平行x轴方向组成时间反演天线阵列，天线阵列距离两层媒质的交界面10cm，即阵列的纵坐标y＝-10cm。天线单元方向与z轴平行，仅考虑s极化波。相邻天线的间距为0.2m,中心天线单元坐标为(1.5m,-0.1m)，另一层媒质的平均介电常数εm为2.908，柱体中心坐标为：T(1.2m,1.5m)。所有天线单元的主射方向一致，第1个天线发射探测信号，信号是中心频率为320MHz的高斯脉冲波，所有天线接收目标反射的回波信号，采样点M为2400。根据回波信号确定每个天线单元的主射方向，调整天线使其出射方向与要求的方向一致；同时根据回波信号建立空频多态响应矩阵，求取每个天线单元发射的用于功率合成的时间反演时域信号。选择每个天线单元发射信号的幅度Ai＝1，实现空间功率合成如图2，合成的功率与天线单元发射峰值功率的比值为0.0229；将功率合成公式中S(ω)中心频率提高到原来的4倍，由原来的320MHz提高至1.28GHz，再次得到合成功率如图3，合成的功率与天线单元发射峰值功率的比值提升至0.0818，能量更趋集中。
每个天线单独发射信号至目标处，求取7个天线理想合成功率与天线发射峰值功率的比值为0.0936。定义合成效率η为实际合成功率与理想合成功率的比值，则η1＝0.0229/0.0936＝24.47％及η2＝0.0818/0.0936＝87.39％。显然，频率提高后功率合成效率得到了较大提高，显示该方法在功率合成方面的优越性。该技术可以用于地雷的探测与扫除，先发射弱信号以探测地雷的方位，再合成高功率微波使地雷失效；也可以用于肾结石、尿结石的探查与碎石，先发射弱信号以探测结石的方位，然后合成较高功率的微波(激光)使结石碎裂而排出体外，实现体外碎石，减轻病人痛苦。频率提高后，合成功率的区域更小，使之直接作用在结石上，能减小对肉体的损伤。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高效高功率微波空间功率合成方法，采用多个天线辐射的波束在空间进行功率合成，其特征在于，包含如下的步骤：1)在探测区域的一侧设置时间反演天线阵列，任取一个天线单元发射弱信号探测非合作目标，根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，同时建立空频多态响应矩阵，获取与目标对应的时间反演信号；2)时间反演天线阵列加大功率发射步骤1)所得时间反演信号，并将其将聚焦于目标位置处。
2.根据权利要求1所述的高效高功率微波空间功率合成方法，其特征在于，所述时间反演天线阵列分解成许多个小天线阵列，小天线阵列根据回波确定每个天线的主射方向，并依此调整天线单元的物理方向与之一致，确保每个天线单元直对非合作目标发射信号。
3.根据权利要求1所述的高效高功率微波空间功率合成方法，其特征在于，在探测区域的一侧设置N个天线单元的收发合置天线阵列，任取一个天线发射超宽带脉冲时域信号s(t)，所有天线单元接收目标反射的回波信号，对每个天线单元接收的时域信号kn(t),n＝1,2,…,N进行傅里叶变换，得到频域信号kn(ω),n＝1,2,…,N，进而得到空频多态响应矩阵。
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