【摘要】：賦形是指賦予某物質(zhì)或物體以特定的幾何形狀,通常用于形體模擬、場(chǎng)景再現(xiàn)或其他特殊用途,在眾多學(xué)科領(lǐng)域均有著極為重要的應(yīng)用。場(chǎng)賦形的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)場(chǎng)內(nèi)波的產(chǎn)生和傳播進(jìn)行相關(guān)控制。如何在空間和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)對(duì)波的任意產(chǎn)生與控制,一直都是各領(lǐng)域備受關(guān)注的研究課題。在聲波場(chǎng),水波場(chǎng)以及電磁場(chǎng)等幾個(gè)重要的物理場(chǎng)中,聲波場(chǎng)和水波場(chǎng)的任意產(chǎn)生與控制目前均已取得重大突破。隨著電磁波的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,特別是在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、化學(xué)、能源、生物、醫(yī)學(xué)、以及保密通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用,當(dāng)下急需場(chǎng)強(qiáng)分布可控且具有特定幾何形狀的高精度電磁波賦形場(chǎng),而如何有效的進(jìn)行電磁波空間場(chǎng)控制以達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用目的成了電磁學(xué)領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題之一。目前對(duì)電磁波的傳播和空間調(diào)控較成熟的兩種方法分別是借助天線(xiàn)或天線(xiàn)陣以及電磁超材料。其中,天線(xiàn)或天線(xiàn)陣主要通過(guò)方向圖而電磁超材料主要通過(guò)材料的奇異特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的傳播控制。兩種方法針對(duì)特定的場(chǎng)均需要特定的結(jié)構(gòu)或材料,設(shè)計(jì)不靈活,不具備普適性。針對(duì)存在的技術(shù)難題與現(xiàn)有方法的局限性,本論文基于時(shí)間反演(Time Reversal,TR)空時(shí)聚焦傳輸原理和自適應(yīng)傳輸特性,提出了一種新型的電磁賦形場(chǎng)產(chǎn)生方法,并通過(guò)現(xiàn)代智能優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生高精度電磁賦形場(chǎng)的優(yōu)化目標(biāo)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下:首先,從時(shí)變電磁場(chǎng)的惟一性定理出發(fā),證明了波動(dòng)方程的時(shí)間對(duì)稱(chēng)性和格林函數(shù)的互易性,并對(duì)TR電磁波的空-時(shí)聚焦原理進(jìn)行了理論分析;其次,基于電磁場(chǎng)的矢量疊加原理,提出了一種自由空間,密閉腔體或任意電磁互易環(huán)境中均適用的電磁賦形場(chǎng)產(chǎn)生方法,闡述了該方法與傳統(tǒng)方法相比所具有的靈活性和普適性,并進(jìn)一步分析了其存在的問(wèn)題;最后,分別以單點(diǎn)聚焦場(chǎng)的主副瓣比和“一”字形賦形場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)均勻分布作為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)以遺傳算法和單純形法為代表的兩種智能優(yōu)化算法,對(duì)TR回傳信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了高精度單點(diǎn)聚焦場(chǎng)和“一”字形均勻賦形場(chǎng),并通過(guò)仿真結(jié)果分析了算法的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN011
【圖文】：

(a) (b) (c)圖 1-1 三種聲場(chǎng)勢(shì)阱[5]。(a) 孿生場(chǎng)；(b) 渦旋場(chǎng)；(c) 瓶狀場(chǎng) 水波場(chǎng)與聲學(xué)場(chǎng)不相類(lèi)似，水波場(chǎng)理論討論重力場(chǎng)中具有自由面和不可壓理想流動(dòng)，因此，水波是橫波和縱波合成的波。為了研究海上船舶綜合運(yùn)動(dòng)規(guī)律 年，日本科學(xué)家 Naito 等人利用水波能量吸收理論和造波機(jī)的蛇形運(yùn)動(dòng)模式

(c) (d)圖 1-2 系統(tǒng)裝置圖與賦形水波場(chǎng)。(a) AMOEBA 系統(tǒng)[6]；(b) “S”形水波場(chǎng)[6]；(c) 心形水波場(chǎng)[7]；(d) 五角星形水波場(chǎng)[7]1.2.3 光場(chǎng)光波可以看成是頻率范圍很高的電磁波，它的傳播與控制主要基于 19 世紀(jì) 60年代麥克斯韋提出的光的電磁理論。目前，針對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控研究主要依賴(lài)于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator, SLM），它的基本原理是通過(guò)對(duì)光波的某些特性（如相位、振幅、頻率以及偏振態(tài)等）的一維或二維分布進(jìn)行空間和時(shí)間的變換和調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)空間分布的調(diào)控。如圖 1-3 所示，2012 年烏得勒支大學(xué)的Mosk 等人在《NATURE》上發(fā)表文章[10],通過(guò) SLM 實(shí)現(xiàn)了光波在散射環(huán)境下的聚焦。隔年，Hillman 團(tuán)隊(duì)通過(guò) SLM 進(jìn)行數(shù)字光學(xué)的相位共軛操作，實(shí)現(xiàn)了在混濁介質(zhì)中的二維成像[11]。

(a) (b)圖 1-3 平面光波通過(guò)散射介質(zhì)后的光場(chǎng)圖案[10]。(a) 無(wú) SLM 控制；(b) 有 SLM 控制(a) (b)圖 1-4 SLM 控制光波實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的二維成像[11]。(a) 系統(tǒng)裝置圖；(b) 成像效果圖1.2.4 電磁場(chǎng)

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本文編號(hào)：2780251