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基于机器学习的电磁损耗与相位对消超材料设计

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基于机器学习的电磁损耗与相位对消超材料设计

作者：郭昱辉华中科技大学

学位级别：硕士

电磁波传输特性调控在现代电子对抗中发挥着重要作用,成为军民高科技术领域的研究焦点。电磁损耗和相位对消从电磁波的幅度和相位方面降低反射率,是实现调控电磁波传输特性的重要途径;亚波长结构超材料具有灵活设计性,是调控电磁波传输... 详细信息

电磁波传输特性调控在现代电子对抗中发挥着重要作用,成为军民高科技术领域的研究焦点。电磁损耗和相位对消从电磁波的幅度和相位方面降低反射率,是实现调控电磁波传输特性的重要途径;亚波长结构超材料具有灵活设计性,是调控电磁波传输性能的有效手段。本文以雷达波低反射率的超材料快速设计为研究目标,基于机器学习的深度神经网络架构,获得超材料单元结构的优化设计。从材料本征电磁损耗、结构单元构建相位对消等调控手段实现雷达波的低反射性能;逆向自动优化、获得雷达波低反射率超材料结构设计。论文的主要研究内容和结论如下:基于相位对消调控雷达波低反射率,设计了金属图案单元结构超材料。采用卷积神经网络实现了反射相位设计控制,其反射相位的平均相对误差是2.51%;用卷积神经网络进行直接全局搜索设计,获得的低反射率超材料阵列在8.3～11.6 GHz内反射率小于-10 dB。采用有损介质材料实现了雷达波幅度和相位双重调控的超材料设计。构建了两个全连接神经网络,获得了超材料结构与雷达波的幅度、相位调节关系。结合深度神经网络和粒子群算法设计了一种逆向设计算法:输入指定性能要求,可快速、自动、有效输出超材料结构设计。实现了7.2～18 GHz频段反射率小于-10 dB的有损介质超材料阵列设计,设计时间为48.5 s。设计了可同时实现幅度和相位预测的并联深度神经网络。采用二进制粒子群算法构建逆向设计算法,选取电阻膜代替有损介质材料,同时构建雷达波幅度损耗和相位对消;解决了电阻膜方阻值离散的问题,建立了更高效雷达波低反射率调节手段。获得的电阻膜超材料阵列在6～18 GHz反射率低于-10 dB,设计时间缩短至30 s。

关键词：雷达波超材料机器学习逆向设计电磁损耗相位对消

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一种基于相位对消的转角估计新方法

系统工程与电子技术 2012年第5期34卷 897-902页

作者：胡杰民张军占荣辉鲁敏国防科学技术大学ATR实验室湖南长沙410073

逆合成孔径雷达成像中,为校正散射点越多普勒单元走动和方位向定标,需要对目标转角进行估计。在详细分析雷达目标回波相位特性的基础上,提出一种基于相位对消的转角估计方法。该算法通过对消回波的相位一次项后,对回波相位二次项系数进... 详细信息

逆合成孔径雷达成像中,为校正散射点越多普勒单元走动和方位向定标,需要对目标转角进行估计。在详细分析雷达目标回波相位特性的基础上,提出一种基于相位对消的转角估计方法。该算法通过对消回波的相位一次项后,对回波相位二次项系数进行估计,从而根据二次项系数与转角的关系获得转角估计值。同时,考虑到回波能量在成像平面的分布特点,采用加权最小二乘法对估计结果进行拟合。与现有方法相比较,新方法在稳健性和实时性上有较大改进。仿真数据和暗室数据的成像结果证明了该方法的有效性。

关键词：逆合成孔径雷达相位对消转角估计

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基于相位对消的低散射紧耦合阵列天线研究

基于相位对消的低散射紧耦合阵列天线研究

作者：李佳辉西安电子科技大学

学位级别：硕士

未来的雷达通讯系统迫切地需求设计一个能将通信、雷达隐身及雷达对抗等多个功能集成到同一孔径下的多功能集成化电磁平台。紧耦合阵列(Tightly Coupled Arrays,TCAs)通过相邻单元间的电容耦合抵消金属地板引入的电感以实现宽带性能,相... 详细信息

未来的雷达通讯系统迫切地需求设计一个能将通信、雷达隐身及雷达对抗等多个功能集成到同一孔径下的多功能集成化电磁平台。紧耦合阵列(Tightly Coupled Arrays,TCAs)通过相邻单元间的电容耦合抵消金属地板引入的电感以实现宽带性能,相比于传统宽带天线展现出了低剖面的优势,但目前其散射特性是一个较为薄弱研究方向。因此针对未来的军事武器平台对宽带阻抗匹配、低剖面及低散射特性阵列天线的需求。本文对紧耦合阵列天线的散射特性进行系统深入的研究,提出了实现紧耦合阵列天线雷达截面(Radar Cross Section,RCS)减缩的设计思路,构建了具备良好辐射性能的低散射紧耦合阵列天线。本文的主要内容概括如下:1、基于相位对消的棋盘式低散射紧耦合阵列天线设计目前紧耦合阵列天线散射特性相关研究主要采取加载超材料的方法,然而超材料的加载在原有天线上引入了新的结构,不可避免的会导致天线在辐射性能和散射性能之间进行权衡,并且带来剖面增加等问题。因此本文基于相位对消原理设计了一款棋盘式低散射紧耦合阵列天线,该阵列天线由两种反射幅值相近且反射相位差能保持180°±37°的两种天线单元按棋盘的形式排布而成,从而通过散射场对消实现阵列天线的低散射特性。另一方面,加工了 12×12的阵列样机以验证低散射紧耦合阵列天线设计的正确性。测试结果表明该低散射紧耦合阵列天线能实现8～12GHz的阻抗带宽以及E/H面±45°的扫描范围(Active VSWR相位对消自由度的低散射紧耦合阵列天线设计基于棋盘式相位对消原理的低散射紧耦合阵列天线的RCS减缩效果取决于天线单元反射特性的稳定度,为了进一步提升阵列天线的RCS减缩效果,需要对天线单元的反射特性进行优化,然而在宽带范围内设计具有稳定的反射特性的两种天线单元较为困难。因此本文从拓展相位对消自由度的角度出发,提出了一种新型相位对消条件,与传统棋盘式相位对消条件相比,其实现相同RCS减缩效果时所需的幅值和相位条件更为宽松,因此天线单元设计的自由度也随之提高。换而言之,传统棋盘式相位对消原理中当一种天线单元的反射特性确定,另一种天线单元的反射相位变化范围只有±37°,而本文提出的新型相位对消条件将这种相位变化范围进一步拓展。基于本文提出的新型相位对消条件设计了一款低散射紧耦合阵列天线,为了验证设计的有效性和可行性,加工并测试了阵列天线样机,其测试结果与仿真结果的一致性验证了本章提出的新型相位对消条件的正确性。具体来说,在同极化入射平面波垂直照射下,相较于参考阵列天线其带内RCS均值减缩9.9dB,相较于棋盘式低散射阵列RCS均值进一步减缩4.9dB,同时其±45°角域内的双站RCS减缩效果也得到进一步提升。3、基于相位对消的紧耦合阵列天线双极化散射减缩设计对于单极化天线而言,在交叉极化入射波照射下,由于极化失配入射波基本不会被天线吸收而是产生全反射,从而产生更庞大的散射贡献。为了应对未来更加复杂的应用场景,进一步对天线交叉极化进行散射减缩设计也十分重要。本文通过分析平面偶极子天线单元各部分结构对其反射特性的影响,建立了该类型天线反射特性的调控方法,在该方法指导下设计了两种辐射性能相近且在不同极化入射波照射下均能保持180°±37°相位差的天线单元,将两种天线单元按棋盘的形式组阵得到了具有双极化散射减缩的紧耦合阵列天线。为了验证设计的有效性和可行性,加工并测试了阵列天线样机,其测试结果与仿真结果的一致性验证了紧耦合阵列天线双极化散射减缩设计的正确性。具体来说,在同极化入射平面波垂直照射下,其带内RCS均值减缩4.6 dB,在交叉极化入射平面波垂直照射下,其带内RCS均值减缩14.5 dB。

关键词：紧耦合阵列天线雷达截面(RCS) 相位对消高自由度双极化

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声衰减系数中的相位对消假象

陕西师大学报(自然科学版) 1986年第1期 18-24页

作者：董彦武孙永臣陕西师大应用声学研究所

本文首先分析了测量声衰减的信号接收装置。在此基础上,用直径0.06、0.5和1.4cm的三种压电接收换能器,在1—6MHz的频率范围内,测量超声在猪的心、肝、肌肉和脂肪组织中的声衰减系数,以研究这类换能器的相位对消效应对声衰减值造成的假... 详细信息

本文首先分析了测量声衰减的信号接收装置。在此基础上,用直径0.06、0.5和1.4cm的三种压电接收换能器,在1—6MHz的频率范围内,测量超声在猪的心、肝、肌肉和脂肪组织中的声衰减系数,以研究这类换能器的相位对消效应对声衰减值造成的假象。经过实验证明:在测得的声衰减系数值中,确实潜在着压电换能器相位对消效应造成的假象;此种效应对声衰减数据的贡献大小,与接收换能器的面积大小相对应,同理论分析相一致;当使用小面积的换能器时,衰减系数与频率之间接近为线性关系。因此,要提高测量组织声衰减的精度,应采用小面积的压电换能器,或聚焦换能器。如果选用电声换能器、辐射力法和热学方法测量,可完全避免相位对消效应造成的假象。

关键词：相位对消压电换能器测深仪声衰减系数

幅相同调的吸波-对消雷达散射截面减缩超表面设计

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物理学报 2022年第8期71卷 90-99页

作者：袁方毛瑞棋高冕郑月军陈强付云起国防科技大学电子科学学院长沙410073

更宽的工作频带和更低的雷达散射截面(radar cross section,RCS)一直是低可探测领域研究的热点,然而这两者往往难以兼顾.鉴于此,本文提出了一种幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面,通过在宽带范围内同时设计两个单元的反射相位和反射幅度... 详细信息

更宽的工作频带和更低的雷达散射截面(radar cross section,RCS)一直是低可探测领域研究的热点,然而这两者往往难以兼顾.鉴于此,本文提出了一种幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面,通过在宽带范围内同时设计两个单元的反射相位和反射幅度,使目标RCS在空间域和能量域分别获得10 d B以上减缩,从而通过叠加获得20 d B以上的宽带RCS减缩.仿真和实验结果表明,在两种极化下,幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面可以在6.10—12.15 GHz频带范围内获得20 d B以上的RCS减缩效果,同时10 d B减缩带宽为4.3—14.2 GHz.所设计的超表面具有减缩幅度大、减缩频带宽、质量轻、单层结构、极化稳定性好、柔性易共形等优点,有望为低可探测材料研制以及低可探测装备性能提升提供新的技术途径.

关键词：雷达散射截面减缩超表面幅相同调吸波相位对消

基于对消超表面的角反射器宽带RCS减缩设计

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电波科学学报 2023年第6期38卷 989-996页

作者：陈强陈燕娜袁方白佳俊郑月军付云起国防科技大学电子科学学院长沙410073 国防科技大学第63研究所南京210000 军事科学院北京100080

角反射器结构对入射电磁波有很强的反射能力,装备平台上一些不可避免的角结构会导致较大的雷达散射截面(radar cross section,RCS),不利于装备隐身和生存.为实现角反射器结构的隐身设计,本文提出一种基于相位对消超表面的二面角反射器(d... 详细信息

角反射器结构对入射电磁波有很强的反射能力,装备平台上一些不可避免的角结构会导致较大的雷达散射截面(radar cross section,RCS),不利于装备隐身和生存.为实现角反射器结构的隐身设计,本文提出一种基于相位对消超表面的二面角反射器(dihedral corner reflector,DCR)的单站RCS减缩方法.论文首先分析了采用相位对消超表面实现DCR RCS减缩的基本原理,然后设计了两种超表面单元,反射相位差180°±37°的相位对消频带为7.6~17.6 GHz.两种超表面单元交错排布组成棋盘结构的相位对消超表面,能够减小宽带范围内平面结构的镜像方向双站RCS.用相位对消超表面替换DCR其中的一个侧面,在不改变反射器外形条件下,在整个X和Ku波段单站RCS实现了减缩,最大RCS减缩达到29.5 dB.仿真分析和测试结果均验证了采用相位对消超表面实现对DCR宽带RCS减缩的有效性.

关键词：隐身二面角反射器(DCR) 雷达散射截面(RCS)减缩相位对消超表面

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宽带宽角散射抑制电磁结构研究

宽带宽角散射抑制电磁结构研究

作者：曹旭西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着雷达探测技术和精确制导系统的快速发展,隐身性能已成为飞行器、舰船、战车等军事装备生存与突防的关键。为应对现代战争中多频谱、多方位和多层次雷达探测网对武器装备造成的严重威胁,掌握战场主动权,需要研究和发展雷达隐身技术,... 详细信息

随着雷达探测技术和精确制导系统的快速发展,隐身性能已成为飞行器、舰船、战车等军事装备生存与突防的关键。为应对现代战争中多频谱、多方位和多层次雷达探测网对武器装备造成的严重威胁,掌握战场主动权,需要研究和发展雷达隐身技术,实现目标的低可探测性,提升其战场生存能力。雷达截面(Radar Cross Section,RCS)是衡量目标雷达隐身性能的关键技术指标,目标表面加载散射抑制电磁结构可显著降低目标的RCS,因此,对于宽频带宽角域散射抑制电磁结构的研究具有重要的理论意义和军事价值。本文的主要研究工作包括以下几个方面:1、为解决现有散射抑制电磁结构带宽不足及抑制效果有限的难题,基于传统磁性材料和超材料融合的散射抑制方法,设计了一种宽带宽角电磁吸波体。首先,通过两层平板型磁性材料相堆叠的方式在低频处获得两个强吸收峰。然后,通过将结构构造为具有亚波长尺寸特性的周期结构,实现了宽频带强吸收效果。其次,级联加载电阻的交叉偶极子进一步增加了吸波体的吸波强度,吸波率大于95%和90%的频带范围分别为1.87～17.54 GHz和1.69～18 GHz。当TE极化波以50°斜入射和TM极化波以75°斜入射时,该吸波体仍能在宽频带保持大于80%的吸波率。最后,将吸波体组成吸波阵列实现了良好的散射抑制特性。2、针对目标在大角度雷达探测波下因散射栅瓣的出现而引起单站隐身技术失效的问题,基于单元间距控制的散射栅瓣抑制方法、传统磁性材料和电路模拟吸波体融合的散射抑制方法,设计了一种宽带斜入射栅瓣抑制电磁吸波体。首先,通过对大角度斜入射时,由无方向散射阵元组成的周期阵列散射方向图的分析,明确了小间距单元设计在散射栅瓣抑制方面的优势。然后,通过单层周期性磁性材料和电阻膜结构级联的方式设计了小间距电磁吸波体,其在3.07～18 GHz内吸波率大于90%。当TE极化波以50°斜入射和TM极化波以80°斜入射时,该吸波体仍能在宽频带内保持大于90%的吸波率。最后,将小间距吸波单元组成吸波阵列进行散射特性分析,由于在吸波单元设计时严格控制单元间距以抑制散射栅瓣现象,该吸波阵列具有大角度散射抑制效果。3、为满足更宽的工作频带和更低的雷达截面的兼容性需求,基于吸收机制和相位对消机制融合的散射抑制方法,设计了一种幅相同调强散射抑制电磁结构。首先,通过对吸波-对消RCS减缩机理的研究,揭示了低散射有耗棋盘阵列中子阵的幅度相位分布特性。然后,利用磁性材料和加载电阻的弯折交叉偶极子构造了单元1和单元2,由其组成的棋盘阵列在宽频带具备强散射抑制特性。最后,为进一步调控子阵的幅相信息以实现更强的散射抑制效果,在单元2表面刻蚀加载电阻的终端弯折交叉偶极子构成单元3,由其与单元1组成的棋盘阵列单站RCS减缩大于10 dB和20 dB的频带分别为3.61～14.72 GHz和4.77～13.09 GHz,且对于45°斜入射的TE和TM极化波依旧在宽频带范围内维持着大于9.4 dB的镜像RCS减缩效果。

关键词：雷达截面减缩宽带宽角域磁性材料吸波体相位对消

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新型电磁超表面及其雷达散射截面缩减应用

新型电磁超表面及其雷达散射截面缩减应用

作者：李丰安厦门大学

学位级别：硕士

电磁超表面的是一种人工的二维周期结构,因其对电磁波能产生特定的功能响应,所以具有调控电磁波特性的能力。电磁超表面独特的性能引起了国内外众多学者的研究兴趣,已经有各种不同类型的电磁超表面被提出,例如吸波表面、电磁带隙结构、... 详细信息

电磁超表面的是一种人工的二维周期结构,因其对电磁波能产生特定的功能响应,所以具有调控电磁波特性的能力。电磁超表面独特的性能引起了国内外众多学者的研究兴趣,已经有各种不同类型的电磁超表面被提出,例如吸波表面、电磁带隙结构、人工磁导体结构、频率选择表面和编码超表面等。电磁超表面可以应用在多种微波器件或波束调控中,其中有一个很重要的应用方向是关于雷达散射截面缩减以实现电磁隐身的作用。本文基于雷达散射截面缩减功能设计了三款不同功能的超表面,分别是互补多频段双功能极化转化超表面、设计优化的相位对消超表面和非谐振结构相位梯度超表面,三种超表面都实现了宽带的单站RCS缩减功能,双站RCS结果也十分优秀。其中反射型极化转化超表面采用互补正方形单元组合设计,扩展了单个单元的极化转化频带,最终得到5-30GHz频率范围内的多频带线线正交和线圆极化转化双功能超表面,两种功能各自拥有七个转化频段。将极化转化超表面镜像排列成4×4结构得到双宽带的10dB RCS缩减功能。实物测量结果与仿真结果高度一致。相位对消超表面利用对数函数和中心圆形设计出两种反射幅度一致、反射相位满足180°±37°相位差的人工磁导体单元,将两单元组合成周期棋盘型RCS缩减表面,最终得到10dB RCS缩减带宽为18.2-29.8GHz,与满足单元相位差条件的频率范围18.2-30GHz基本一致。我们通过控制不同金属贴片数量的方式获得满足相邻单元120°相位差的三单元相位梯度结构,整体满足360°的周期相位循环。正入射在相位梯度超表面上产生的反射波空间方向与表面梯度值有关,通过组合一维与二维相位梯度表面,最终设计出一款8梯度方向旋转排布的RCS缩减表面,能够将散射波束均匀分配到空间中多个方向,整体呈现出异常反射状态。

关键词：超表面极化转化相位对消相位梯度 RCS缩减

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人工磁导体正交布阵的宽带低雷达截面反射屏

物理学报 2013年第15期62卷 186-194页

作者：赵一曹祥玉高军姚旭马嘉俊李思佳杨欢欢空军工程大学信息与导航学院西安710077

基于互补开口谐振单环(complementary split ring resonator,CSRR)的电磁特性,设计了一种新型人工磁导体(artificial magnetic conductor,AMC)结构CSRR-AMC.通过与方形贴片人工磁导体的反射相位对比发现,该结构在X极化和Y极化波垂直照... 详细信息

基于互补开口谐振单环(complementary split ring resonator,CSRR)的电磁特性,设计了一种新型人工磁导体(artificial magnetic conductor,AMC)结构CSRR-AMC.通过与方形贴片人工磁导体的反射相位对比发现,该结构在X极化和Y极化波垂直照射条件下可分别实现小型化和多同相反射频带.基于此特性,设计了一种仅由单一CSRR-AMC结构组成的宽带低雷达截面反射屏.该设计将相邻CSRR-AMC单元正交化排布,通过优化单元结构实现宽带相位对消,降低后向散射能量.测试结果表明,样品在7.38—10.47GHz范围内后向RCS减缩量达到10dB以上,相对带宽达到34.6%,为宽带低反射屏设计提供了新的方法.

关键词：人工磁导体相位对消宽带雷达截面减缩