时间反演技术的未来发展应用研究

时间反演技术的时空聚焦特性及其应用近十年来被广泛研究，尤其利用复杂的电磁场多径环境下具有的时空聚焦特性在无线通信和功率合成两方面领域中的应用基础研究使得近年来基于时间反演的电磁波研究得到了长足的发展。本综述首先介绍了时间反演技术在电磁场领域各个系统的应用原理和最新研究进展，其次就时间反演技术的未来发展趋势和面临的挑战进行了讨论。

【关键词】时间反演技术 无线通信系统 成像系统

1 引言

2004年，时间反演技术被引入到电磁学领域，人们开始探索时间反演技术在电磁波系统中的应用。研究发现，利用时间反演技术同样可以实现电磁波的时空同步聚焦。因此，TR技术除了可以应用于当前复杂媒质中目标的探测与成像上，也可用在现代无线通信系统有所贡献。

虽然目前基于TR技术的研究与应用仍处于起步阶段，但是随着科研工作者的不断探索，TR技术将逐步应用于隧道火车无线控制系统、电磁混沌感知系统、光学成像系统、雷达探测成像系统、高压声学脉冲产生系统、深海水下通信系统等。

2 TR技術在电磁领域的研究现状

2.1 隧道火车无线控制系统

在隧道火车无线控制系统中，TR技术主要应用于火车与火车、火车与沿线之间的通信。2004年4月，人们首次将超宽带（UWB）技术应用于火车通信，提出了一种基于UWB的与火车轨道共线的网络。利用TR技术在通道前端对信号进行筛选，增强信号探测，减少干扰，这样接收部分不需要使用复杂的算法，使得信号探测过程大大简化。而UWB技术可以将一个伪随机信号通过利用直接序列扩频技术和跳变时间扩频技术，使其能同时实现轨间环线车地通信、火车定位以及障碍探测功能。TR的技术规则如图1所示：首先在A点对频道冲激响应进行评估和记录，然后将数据通过一个时间反演滤波器，产生时间反演的频道冲激响应，最后利用传输信道将结果传送到B点。

2.2 高压声学脉冲产生系统

当把一个多重散射煤质嵌入在一个充满液体的反射腔中时，可以产生一种高压力脉冲超声源，将传统的低功率电子超声图像探针转变成需要高压力聚焦脉冲的高功率探针。由于反响介质的TR聚焦可以采用无序介质，所以可以在有限数量的传输单元区域内提供一个大范围的动态时空聚焦。另外，利用时间反演腔内的多重混响效应，腔内就可以产生虚拟声源。

1997年，有人进行了波导中的时间反演聚焦的实验，表明有界煤质可以提高焦斑。1999年，Derode等证实了可以通过一个2D腔的一位时间反演，将压缩脉冲放大12dB，而且时空分辨率保持不变。2001年，Montaldo等用一个固体金属腔（如图2所示）来将超声波脉冲聚焦到水里，但是这个封闭腔受到传输到目标煤质的能量的限制，初始的纵向波会逐渐转变为横波，在接口处的突然阻抗失配限制了进入目标煤质的脉冲传输。2009年，Sarvazyan等对这个实验进行了改进，将原反射腔替换成一个被空气包围，充满水并且其中一段是开口的反射腔（如图3所示）。这个反射腔可以产生一个或几个焦点，并使它们能在我们想要的聚焦系统的离轴线上进行电子转向。但是由于这个开放腔和共振器差不多，因此不能在焦点上进行振幅增强。

2.3 海水下通信系统

TR技术可以通过开发空间维度来获取很好的时空聚焦，从而减轻符号间干扰，这一特性使得其可以应用于深海通信系统中。1991年，Stojanovic等[7]在200km左右的深海中用1KHz的载波和两个水中听音器进行了一次相位耦合的通信实验，传输速率达到了1000bit/s。另外两个位于50KM深海中的实验用了1.7KHz的载波和几个水中听音器，传输速率分别达到了400bit/s和200bit/s。2008年，Song等对X线断层摄影术中获取的数据进行了分析，证实了在3250米的深海里，仍然可以进行相位耦合通信。通过应用20个垂直阵列和TR等效原理，可以在75Hz的载波频率下传输速率达到37.5bit/s。2011年12月，Shimura等[11]在日本600米的深海里用放置在声道轴的一个450Hz-550Hz固定源和一个18单元的垂直阵列，通过16次正交调幅和TR等效，获得了400bit/s的传输速率。

2.4 TR技术在无线充电系统的研究

18世纪末19世纪初，Nikola Tesla首次提出了无线充电的概念，并且在科罗拉多实验站的地面上用无线供电的方式成功点亮了一个灯泡。Soliacic和Joannopoulos提出使用共振频率相同的共振线圈，这样可以对几米外的物体进行无线充电。近年来，有人提出了一种使用反向阵列天线的无线充电方式。该方法可以基于时间反演技术实现快速的时间反演信号的处理，实现多径信号的时空聚焦以达到无线充电的功能。

2.5 光学成像与雷达探测成像系统

利用光学相位共轭，可以对生物组织中的散射光进行时间反演，因此TR技术可应用于深部组织成像。由于生物组织中的光具有高效传递性，并且深度光学成像时组织有高度散射煤质特性，所以尽管光散射是随机出现的，但它仍是一个确定的过程。我们可以通过准确记录散射波的相位和振幅，产生一个和散射波共轭的波，并将其反射回散射煤质，从而空出散射组织的作用。目前有人发明了一种可以产生光学相位共轭的光电系统，可以轻易的产生能源充足，能为不同的实际应用而灵活选择的光学相位共轭区域。

对破碎环境中目标的雷达探测成像，主要的方法是将TR技术和DORT技术融合：把DORT技术应用于元件间矩阵，从而可以在目标上选择聚焦点，减少混乱环境的影响，再使用TR技术对聚焦波的相位进行共轭处理。当信号利用TR技术通过任意一个工作在时域上的波形发生器时，可以使得聚焦波的反向传播更为容易，而当通过一个工作在频域上的矢量网络分析仪时，就可以实现在所给带宽上的相位共轭和脉冲合成。目前，已经研究出了一个工作在2-4GHz频率宽度的雷达模型，如图4所示[16]：在接收端和信号源端都有一个矢量网络分析仪，TR前端由8个UWB天线（A1-A8）和一个附加的天线（A9）构成，天线都是对称的指数渐变槽线天线，功分器用来合并或分离8个频道，天线和移相器用来分别限制可利用频率的高低边界。

3 未来发展趋势和挑战

未来的发展趋势主要有以下几个方面：

（1）对于TR算法，可以对其进行扩展，增加迭代的次数，尽可能的使其收敛。

（2）对于TRM，可以对其中的阵列元素进行改动，使得算法在多目标情况下更为简单。

（3）在隧道火车控制系统中，可以对使用的UWB技术进行改进，更准确测量通信者之间的距离，从而大大提高其可靠性。

（4）可以对流动环境下的水下通信进行研究，或者对其中的TR算法进行正交处理，以扩大通信距离和提高通信质量。

当然，TR技术在电磁场中的发展面临许多挑战，一是如何将TR技术完美融合在我们使用的系统中，二是TR算法的处理和优化。尽管它面临一些挑战，但是TR技术的特有的时空聚焦效果使得它具有光明的前景，对未来的科技发展有着不可忽视的作用。

参考文献

[1]P.Flaperty，CCS：“a railway corridor control system utilizing ultra wide band radio technology”，ASME/IEEE Joint Publication，2004.

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[5]G.Montaldo，P.Roux，A.Derode，C. Negreira，M.Fink，”Generation of very high pressure pulses with 1-bit time-reversal in a solid wave-guide”，J. Acoust.Soc.Am.110，2001.

[6]A.P.Sarvazyan， L.Fillinger，L.R. Gavrilov，“A comparative study of systems used for dynamic focusing of ultrasound”，Acoust.Phys，55，2009.

[7]M.Stojanovic，J.A.Capitovic，J.G. Proakis，“Adaptive multi-channel combinaing and equalization for underwater acoustic communications”. J.Acoust.Soc.Am.94，1993.

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[10]H.C.Song，W.A.Kuperman，W.S. Hodgkiss，“Basin-scale time reversal communications”.J.Acoust.Soc. Am.125，2009.

[11]T.Shimura，Y.Watanabe，H. C.song，“Long-range time reversal communication in deep water：Experimental results”.J. Acoust.Soc.Am.132（01），2012.

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[16]L.Bellomo，S.Pioch，M.Saillard， E.Spano，“An s-band ultrawideband time revesal-based radar for imaging in cluttered media”.IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology （ARRAY）， 2010.

作者簡介

卜婷婷（1990-），女，贵州省安顺市人。硕士学位。现为专利审查员。主要研究方向为时间反演与天线。

作者单位

国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心 四川省成都市 610213