用于时间反演远场超分辨率成像的微结构阵列研究

摘要

随着科学技术的日益发展，传统成像系统的分辨率已无法满足实际需求，实现超分辨率成像愈发重要，而亚波长微结构阵列的设计则是一种实现电磁波超分辨率特性的有效方法。而时间反演电磁波技术所具有的空间-时间同步聚焦特性可以使微结构阵列得以更好的应用。本文以传输成像原理、模式转换原理以及局域模谐振原理为研究对象，针对可用于微波频段的时间反演远场超分辨率成像系统的微结构阵列进行了深入研究。论文的主要内容概括如下： 首先，概述了超分辨率成像的研究背景和研究意义，从多个方面阐述了超分辨率特性的研究现状和实现原理，并简单回顾了时间反演技术的相关原理、研究背景和技术进展，最后给出了全文所需要解决的关键问题和内容结构。 其次，针对传输模式的成像系统，推导分析了实现传输成像原理的方法，并提出了多种性能优越的传输成像微结构阵列。传输成像的工作原理是利用线媒质将入射波耦合到线媒质中形成传输线模式，该模式可将源面的信息沿着金属丝阵列传输到像面，实现超分辨率成像。针对线媒质在实际应用中的局限性，进行新型超分辨率成像微结构阵列设计。首先设计了弯曲型金属丝阵列，验证了保持端面不变性对阵列进行相同角度的旋转弯曲，同样可以实现超分辨率成像；然后将金属丝阵列平面化，使其成为平面成像结构，方便安装与集成。并通过对平面结构的调整，实现了对超分辨率图像的放大与缩小，再结合阶跃阻抗谐振器，有效地减小了成像结构的尺寸；最后，通过对空间色散关系的分析，推导了几种可实现传输成像原理的方法，为以后的设计提供理论指导。 再次，针对辐射模式的成像系统，以模式转换原理为研究对象，提出了多种具有低剖面、小型化和宽带性能的成像微结构阵列。这部分首先基于周期金属丝阵列构成的谐振超透镜概念，详细分析了模式转换的工作原理。然后基于模式转换原理，设计了三种一维紧凑型平面微结构阵列，通过近远场频谱验证了所设计的结构可将凋落波转换为传播波辐射到远场，结合时间反演技术，从仿真和实验两方面实现了超分辨率聚焦与成像。进一步，将一维阵列拓展到二维，设计了一种二维平面微结构阵列。通过Bloch模式的分析，验证了频率与模式的对应关系，再通过近远场频率验证凋落波到传播波的转换。利用这种二维平面微结构阵列，结合时间反演多信号分类法，分别对点目标和二维拓展目标实现了远场超分辨率成像，并分析了天线的极化和数量对成像结果的影响。最后，提出了一种基于立体超材料的宽带微结构阵列，利用立体超材料的概念，设计了一种具有一定频率间隔的两个工作频率的单元结构，经过周期排列之后可以有效提升阵列的工作频带，并分别从频率和时域两方面验证了带宽提升所带来的优势。 最后，针对复杂环境中的成像系统，在不借助于格林函数的情况下，提出了多种具有小型化、高分辨率和高效率的成像微结构阵列。这部分首先提出了一种基于局域模谐振的多频点平面微结构阵列，通过优化周期间距来减小相邻单元之间的耦合，每个谐振单元工作在不同的频率，这样可以直接通过远场接收到的频谱来确定目标所在位置，分别对点源和拓展目标实现了远场超分辨率成像，具有优秀的成像分辨率。然后，提出了一种远场超分辨率扫描成像微结构阵列，利用谐振器单元具有的两种不同的工作状态，来判断目标所在位置，实现了远场超分辨率扫描成像，并验证了其在复杂环境下同样具有优秀的工作性能。最后，利用分形结构所具有的多频点工作特性，设计了一种具有多频点工作能力的远场超分辨率扫描成像微结构阵列，该微结构阵列不仅具有多频点的工作能力，还可以将一阶谐振和三阶谐振结合起来，设计了一种新的扫描成像方法，可有效提升扫描成像效率。

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