一种基本单元、超表面及基于信息超表面的到达角估计方法技术

本发明专利技术所述一种基本单元该单元结构，并且由该基本单元周期性排列，可构成一个信息超表面，每个基本单元内部的开关二极管可由外部电路控制，进而呈现不同的电磁响应；基本单元的电磁响应状态可根据空间编码序列在空间维度上排列分布，也可根据时间编码序列在时间维度上周期循环；通过设计相应的时空编码矩阵，信息超表面可以实现在空间域和频率域上同时调控电磁波；通过对已调控的电磁波进行信号分析，还可实现对入射电磁波的到达角估计，形成一种基于信息超表面的到达角估计与电磁调控集成方法，能够在对照射信息超表面的电磁波的入射角度进行实时、快速估计的同时对其进行独立调控。

【技术实现步骤摘要】
一种基本单元、超表面及基于信息超表面的到达角估计方法
本专利技术属于人工电磁材料
，尤其涉及一种基本单元、超表面及基于信息超表面的到达角估计方法。
技术介绍
新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波各参数的可调超表面。传统可调超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此是一个线性器件，只能对电磁波的一些线性特征进行调控，如幅度、相位、极化等。而信息超表面通过高速动态改变编码超表面的控制信号，在时间维度上提供了额外的自由度，使其在不需要使用非线性材料的前提下成为了一个非线性器件，进而可以产生一系列谐波分量。因此，信息超表面在通信、隐身和成像领域具有潜在应用价值。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于信息超表面的到达角估计与电磁调控集成方法，能够在对照射信息超表面的电磁波的入射角度进行实时、快速估计的同时对其进行独立调控。专利技术技术方案为：本专利技术提出一种基本单元，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，所述上表面结构包括第一金属条带与金属矩形贴片，所述第一金属条带和金属矩形贴片通过开关二极管连接，第一金属条带与金属矩形贴片平行排列于介质基板的上表面，并且，第一金属条带与介质基板上表面的两条边垂直连接；下表面结构为第二金属条带，位于介质基本的下表面，方向上正交于上表面的第一金属条带方向，所述第二金属条带与介质基板下表面的两条边垂直连接；单元上表面的金属矩形贴片与下表面的第二金属条带通过金属通孔相连；每个基本单元的开关二极管由外部电路控制，呈现不同的电磁响应；基本单元的电磁响应状态根据空间编码序列在空间维度上排列分布，或根据时间编码序列在时间维度上周期循环。进一步的，该信息超表面由上述基本单元周期排列而成，共N列基本单元，同一列单元的第一金属条带相互连接，共享外部控制信号，由同一组时间编码序列控制，具有相同的电磁响应，并且同一行单元的第二金属条带相互连接。本专利技术还提出一种根据所述信息超表面对到达角估计的方法，该方法包括如下步骤：(1)确定超表面各列单元反射系数的时间编码序列及其周期，并通过傅里叶变换计算出各列单元反射波中各阶谐波分量的幅度与相位；(2)根据各列单元的时间编码序列组成时空编码矩阵，并计算出各阶谐波对应的远场方向图；(3)从步骤(1)中谐波幅相结果中选取M阶非零谐波分量，其中，M≥N，再根据步骤(2)所得谐波远场方向图计算对应谐波在θ＝0°处的幅度相位值，将这些谐波幅相结果与步骤(2)中所用的计算公式联立成线性方程组并得到其系数矩阵；(4)通过矩阵求逆得到步骤(3)中系数矩阵的广义逆矩阵，利用矩阵行列变换计算得出入射电磁波入射角度的估计值θe。进一步的，步骤(1)的具体方法如下：超表面共包含N列单元，每列单元的反射系数由相应的时间编码序列控制，其中，第p列单元的周期时变反射系数在一个周期内的具体表达式Γp(t)为下列形式：其中，T为时变反射系数周期，为时移的基本脉冲函数，具体定义为：其中，为一个具有特定幅度相位的复数，代表在长度为L的时间编码序列中第l位编码；当入射电磁波频率为fc时，经超表面第p列单元反射后的电磁波被调制，变化为以入射波频率为中心，反射系数周期倒数f0＝1/T为谐波频率间隔的混频信号，其频域表达式为其中，δ(f-kf0-fc)表示频移为kf0-fc的冲激函数，而则代表第p列单元的反射波中第k阶谐波kf0+fc的复数系数，对式(1)进行傅里叶变换理论计算得到，具体表示为：其中，j为虚数单位，π为圆周率，为标准采样函数，代表幅度为1，相位为的自然指数函数，根据公式(3)，计算出经过单元调制后电磁波第k阶谐波kf0+fc对应的幅度与相位。进一步的，步骤(2)的具体方法如下：对于一个具有N列单元的信息超表面，共有N个长度为L的时间编码序列，组成一个维度为N×L的时空编码矩阵，当电磁波从与超表面法线方向呈θi的方向入射时，其远场方向图的时域表达式f(θ,t)为：其中，Ep(θ)＝cosθ为基本单元的散射方向图函数，θ定义为观察方向与超表面法线间的夹角，λc为入射波在自由空间中的波长，经过傅里叶变换，第k阶谐波的远场方向图为：其中，λk为谐波波长，d为每列单元的间距，通过式(5)，即可分别计算出某一时空编码矩阵下信息超表面各阶谐波的方向图。进一步的，步骤(3)的具体方法如下：根据式(3)，可得超表面各列单元反射系数中各阶谐波幅相的计算结果，从中选取M阶非零谐波分量依次写为k1,k2,…,kM，根据式(5)，得到超表面θ＝0°处反射波频谱中第k阶谐波分量为：此时，分别将所选谐波带入式(6)，得到相应结果联立成线性方程组，并写成矩阵形式：式(7)进一步写为：其中，为谐波列向量，长度为M，为谐波系数矩阵，为入射波角度列向量，长度为N。进一步的，步骤(4)的具体方法如下：由式(7)可知，A为M×N的二维矩阵，假设其具有广义逆矩阵，维度为N×M，记为A-1，则可得到入射波角度列向量为：式(7)可知，实际上为一等比数列，其公比值可根据式(9)右边相邻项相比得到：其中，为列向量第n行元素，根据上式，可以得到入射波角度为：其中，sin-1(·)为反正弦函数，angle(·)为取复数相位操作，上式对入射波角度θi共进行了N-1次计算，每次结果记为将N-1次的计算结果取其均值作为最终的入射角度估计值：本专利技术还提出一种计算机处理设备，该计算机处理设备包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求3-7所述的信息超表面对到达角估计的方法的步骤。本专利技术还提出一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求3-7所述的信息超表面对到达角估计的方法的步骤。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：(1)本专利技术所涉及的达到角估计方法原理简单，只需要对超表面反射波进行频谱分析即可估计出电磁波入射方向；(2)与传统达到角估计方法相比，不需要额外的传感器以及复杂的信号处理系统，本专利技术具有成本低廉，结果快速准确等优点；(3)本专利技术在进行达到角估计的同时，还可以对电磁波进行独立调控，将两个不同系统功能完美集成，且互不影响，具有高度集成，快速响应等特点，可以用于设计制造对不同入射角度电磁波呈现不同调控功能的只能系统。附图说明图1为本专利技术信息超表面同时估计达到角与调控电磁波的示意图。图2为本专利技术所设计的信息超表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基本单元，其特征在于，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，所述上表面结构包括第一金属条带与金属矩形贴片，所述第一金属条带和金属矩形贴片通过开关二极管连接，第一金属条带与金属矩形贴片平行排列于介质基板的上表面，并且，第一金属条带与介质基板上表面的两条边垂直连接；下表面结构为第二金属条带，位于介质基本的下表面，方向上正交于上表面的第一金属条带方向，所述第二金属条带与介质基板下表面的两条边垂直连接；单元上表面的金属矩形贴片与下表面的第二金属条带通过金属通孔相连；每个基本单元的开关二极管由外部电路控制，呈现不同的电磁响应；基本单元的电磁响应状态根据空间编码序列在空间维度上排列分布，或根据时间编码序列在时间维度上周期循环。/n

【技术特征摘要】
1.一种基本单元，其特征在于，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，所述上表面结构包括第一金属条带与金属矩形贴片，所述第一金属条带和金属矩形贴片通过开关二极管连接，第一金属条带与金属矩形贴片平行排列于介质基板的上表面，并且，第一金属条带与介质基板上表面的两条边垂直连接；下表面结构为第二金属条带，位于介质基本的下表面，方向上正交于上表面的第一金属条带方向，所述第二金属条带与介质基板下表面的两条边垂直连接；单元上表面的金属矩形贴片与下表面的第二金属条带通过金属通孔相连；每个基本单元的开关二极管由外部电路控制，呈现不同的电磁响应；基本单元的电磁响应状态根据空间编码序列在空间维度上排列分布，或根据时间编码序列在时间维度上周期循环。


2.根据权利要求1所述的一种基本单元构建的信息超表面，其特征在于，该信息超表面由上述基本单元周期排列而成，共N列基本单元，同一列单元的第一金属条带相互连接，共享外部控制信号，由同一组时间编码序列控制，具有相同的电磁响应，并且同一行单元的第二金属条带相互连接。


3.一种根据权利要求2所述信息超表面对到达角估计的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)确定超表面各列单元反射系数的时间编码序列及其周期，并通过傅里叶变换计算出各列单元反射波中各阶谐波分量的幅度与相位；
(2)根据各列单元的时间编码序列组成时空编码矩阵，并计算出各阶谐波对应的远场方向图；
(3)从步骤(1)中谐波幅相结果中选取M阶非零谐波分量，其中，M≥N，再根据步骤(2)所得谐波远场方向图计算对应谐波在θ＝0°处的幅度相位值，将这些谐波幅相结果与步骤(2)中所用的计算公式联立成线性方程组并得到其系数矩阵；
(4)通过矩阵求逆得到步骤(3)中系数矩阵的广义逆矩阵，利用矩阵行列变换计算得出入射电磁波入射角度的估计值θe。


4.根据权利要求3所述的对到达角估计的方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法如下：超表面共包含N列单元，每列单元的反射系数由相应的时间编码序列控制，其中，第p列单元的周期时变反射系数在一个周期内的具体表达式Γp(t)为下列形式：



其中，T为时变反射系数周期，为时移的基本脉冲函数，具体定义为：



其中，为一个具有特定幅度相位的复数，代表在长度为L的时间编码序列中第l位编码；
当入射电磁波频率为fc时，经超表面第p列单元反射后的电磁波被调制，变化为以入射波频率为中心，反射系数周期倒数f0＝1/T为谐波频率间隔的混频信号，其频域表达式为其中，δ(f-kf0-fc)表示频移为kf0-fc的冲激函数，而则代表第p列单元的反射波中第k阶谐波kf0+fc的复数系数，对式(1)进行傅里叶变换理论计算得到，具体表示为：



其中，j为虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗龙，戴俊彦，姜汝丹，杨林军，程强，崔铁军，
申请(专利权)人：江苏易珩空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32