基于有源编码超表面的压缩感知新体制微波成像-理论与方法

There are three bottlenecks in the existing compressive sensing imaging based on metamaterial leaky-wave antennas in the microwave band: the measurement matrix can only be constructed by the frequency variation; there is no evaluation system for the degree of freedom of the radiation field and no adaptive system can work in a strong noisy environment. The proposed compressive sensing imaging principle and method based on active encoding meta-material hardware platform, which can realize a new idea or real-time imaging in the background of strong noise. Firstly, the 2-4-bits coded metamaterial unit is constructed and the electronic control method of metasurface random coding is proposed. Secondly, the semi-analytical expression of the radiation field of the random code metasurface at any point in space is deduced. The radiation field degree of freedom evaluation system is established based on the average crosscorrelation coefficient, first order and second order statistics. The measurement matrix is built based on the coding metasurface radiation mode in spatial domain and frequency domain, and the influence introduced by different number of bits on the uncorrelated characteristics of measurement radiation mode is analyzed. Thirdly, the SBL adaptive optimization algorithm under strong noise interference is proposed, which is based on lp-norm of the compression sensing signal reconstruction model and combined with penalty function method and modified Hesse array quadratic programming method. Finally, the imaging performance evaluation system is established, and the influence on image quality produced by three typical scenarios, which includes the misalignment between transmitting and receiving antenna, multipath reflection and relative motion of imaging target, will be specifically investigated.

针对微波波段现有基于超材料漏波天线的压缩感知成像存在的三个瓶颈问题：仅能通过频率变化构造测量矩阵、尚无针对辐射场自由度的评价体系和无法自适应工作在强噪声环境，提出基于有源编码超材料硬件平台的压缩感知成像原理与方法，实现强噪声背景下的快速成像新思路。首先，构造2-4位编码超材料单元，提出超表面随机编码的电控方法；其次，推导随机编码超表面的辐射模式在空间任意点电场的半解析表达式，基于模式间的平均互相关系数、一阶、二阶统计量建立辐射场自由度评价体系，基于空间域和频率域编码超表面辐射模式构建测量矩阵，分析编码位数对测量矩阵不相关性的影响；第三，提出基于lp范数的压缩感知信号重构模型，结合罚函数法和修正Hesse阵序列二次规划方法，针对强噪声干扰提出SBL自适应优化算法；最后，建立成像性能评估体系，分析三种典型场景-收发天线非对准、多径反射、成像目标相对运动对成像质量的影响。

近年来，随着电磁波在探测定位、能源利用、光学通信等领域的广泛应用，在整个频域范围内对电磁波进行精确的人工调控已逐步成为电磁领域最热门的研究方向之一。本研究在四年的时间里，针对微波段基于超表面的进场成像理论研究及应用展开了相关研究。首先，提出了一种利用可重构超表面实现的动态相位补偿来缓解微波区域中的色差问题的方法。用变容二极管实现的超原子的色散特性可以灵活地进行电子控制，从而可以动态补偿宽频带上的色散引起的相位失真，以实现宽带性能。使用所提出的有源超表面可以实现各种无像差功能。在制作的原型上进行了近场测量，以证明无像差光束弯曲和全息成像，显示出与模拟结果的良好一致性。这种有源超表面平台为无线功率传输、传感器、通信和无线电频率或更高频率的天线系统的高效设备铺平了道路。其次，从理论和实验上证明了一种基于由简单紧凑的单超组成的超表面的新策略，以在特定输入值下实现超高速三角运算。基于电磁波（EM）的光学衍射神经网络仅具有一个隐藏层，物理上构建为执行四个三角运算（正弦、余弦、正切和余切函数）。在独特的复合输入模式策略下，设计的光学三角算子响应表示不同三角运算和输入值（在一个周期内）的入射光源模式，并在输出层中生成正确和清晰的计算结果。这种基于波的操作是用特定的输入值实现的，所提出的概念工作可能会提供突破性的灵感，以实现具有超快运行速度的可积光学计算设备和光子信号处理器。最后，提出并通过实验证明了一种非交织和非分段的双向非互易超表面，它编码全空间散射信道中的多种功能，在微波区域中具有不同的传播方向和偏振。具体而言，通过旋转和调整同一超原子内的基本双箭头形状结构，可以在相反方向入射波下的交叉偏振透射和共偏振反射分量中实现独立的相位控制，这种破坏镜像对称的超表面可以充分利用四个独立的信息通道。这些研究成果为基于超表面的近场调控提供了有效的理论依据。