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1、北京稻殼科技有限公司Beijing Rice Hull Technology Co.,Ltd.地址：北京市朝陽區九住路 188 號IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group2023 年年 12 月月版權聲明版權聲明 Copyright Notification未經書面許可未經書面許可 禁止打印、復制及通過任何媒體傳播禁止打印、復制及通過任何媒體傳播2023 IMT-2030（6G）推進組版權所有IIMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group前言時間反演（Time Reversal,TR）技術可以將接收到的電磁波信

2、號在時域上翻轉，再重新發射到空間中，形成時間反演電磁波。近年來該技術成功應用于通信系統、目標探測、高分辨率成像等多個領域。報告分析了未來 6G 通信技術面臨的困難和挑戰，并介紹了時間反演技術面對 6G 通信難題的解決方案，以及其在通信領域的優勢所在。報告詳細闡述了時間反演通信技術的概念、基本原理、架構等方面內容，并對兩種基于時間反演技術的通信系統架構與傳統通信系統架構進行了對比，充分展示了時間反演通信技術的強大能力。通過對國內外研究現狀、理論與建模、現有實現架構的研究分析，報告認為雖然時間反演通信技術目前仍然存在部分技術挑戰，但是在未來通信領域存在強大潛力。在報告的末尾，對時間反演通信技術的發

3、展趨勢進行了預測，重點關注了未來 5-10 年內復雜環境時間反演電磁聚焦技術、時間反演鏡排布技術和時間反演時域聚焦技術三個方面的發展方向和進展。報告第一章為時間反演全息無線電技術概述；第二章介紹了時間反演通信技術的基礎原理、系統架構與理論模型；第三章介紹了時間反演技術在無線輸能和成像領域的應用；第四章重點介紹了時間反演技術在的技術成熟度、產業現狀和研究動態；第五章為總結后續發展趨勢預測。IIIMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group目錄前言.I第一章 時間反演全息無線電技術概述.11.1 時間反演技術與全息理論.21.2 時間反演全息無線電通信技術的特

4、性.51.2.1 安全保密傳輸性.51.2.2 低誤碼率和高信道容量.6第二章 基礎原理與模型.72.1 TR 無線通信技術原理.72.2 系統架構.82.2.1 時間反演超寬帶(TR-UWB)無線通信技術.82.2.2 基于時間反演的寬帶 TR-OFDM-MIMO 通信系統.102.3 理論與模型.122.3.1 基于時間反演的波束賦型理論與建模.122.3.2 電磁信號的時間反演實現技術理論與建模.182.3.3 基于時間反演的亞波長天線陣系統理論與建模.22第三章 其他應用場景和用例.273.1 基于時間反演的無線輸能系統.273.1.1 時間反演無線輸能基本原理.273.1.2 時間反

5、演無線輸能技術與傳統無線輸能技術.293.1.3 時間反演無線輸能技術.303.2 時間反演成像算法.343.2.1 時間反演算子成像技術.353.2.2 基于 TR-相位紋的亞波長擾動識別技術.373.2.3 基于時間反演場擴散消除的時間反演多目標成像技術.393.3 結合時間反演技術的亞波長成像與探測.403.3.1 微結構陣列輔助的目標超分辨率成像.413.3.2 時間反演技術結合色散延遲線的目標探測方法.44第四章 技術成熟度、產業發展現狀和研究動態.45第五章 總結及發展趨勢.47參考文獻.501IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group第一

6、章 時間反演全息無線電技術概述隨著 5G 的發展以及使用的普及，6G 技術的研發和拓展引起了巨大的關注。6G 通信作為下一代移動通信標準，面臨多重要求和挑戰：1.極低延遲：6G 通信需要滿足極端低延遲的需求，例如自動駕駛汽車需要毫秒級的響應時間，遠程醫療需要實時傳輸醫學圖像。這需要通信系統能夠快速傳輸數據，減小信號傳播的延遲。2.多路徑傳播：6G 通信將應對復雜的傳播環境，包括城市、農村、極地和沙漠等不同地理區域。多路徑傳播現象將增加信號多次反射和傳播的可能性，需要有效地利用多路徑傳播，提高信號的傳輸可靠性。3.高密度連接：6G 通信將支持數百萬臺設備同時連接到網絡，包括物聯網設備、智能城市應

7、用和大規模傳感器網絡。這需要通信系統具備高連接密度的能力，同時保持連接的可靠性。4.環境適應性：6G 通信將面對不同的地理和環境條件，如極地、沙漠和高山地區。通信系統需要適應這些極端條件，以提供可靠的通信服務。5.安全性和隱私保護：6G 通信的安全性和隱私保護至關重要。通信系統需要能夠保護用戶數據的隱私，減小竊聽和干擾的風險。與傳統的無線通信方式不同，時間反演（TR）無線通信技術具有多徑效應，能夠利用多徑獲得高增益信號。時間反演的時-空同步聚焦特性能讓 TR 無線通信系統實現自適應高速率的通信，且具有更強的抗干擾能力1。針對 6G 通信的要求和挑戰，時間反演技術通過以下方式滿足 6G 通信的各

8、種需求：1.低延遲要求：時間反演技術通過其自適應性和動態調整能力，可以在實時監測傳播環境和網絡條件的基礎上，實時優化信號傳輸參數，以降低通信延遲。它能夠動態調整信號參數，以最小化傳輸延遲，滿足高度低延遲敏感的應用需求，如自動駕駛汽車、遠程醫療和虛擬現實。2.多路徑傳播：時間反演技術可以有效利用多路徑傳播的特性。多路徑傳播可能會導致信號多次反射和傳播，時間反演技術可以選擇最佳的傳播路徑，減小延遲，提高傳輸可靠性。它可以通過優化多路徑傳播，提高信號覆蓋范圍，確保信號在不同環境中都能傳輸到目的地。3.高密度連接：時間反演技術的自適應性和多路徑傳播優化能力有助于降低多路徑干擾，從而支持更多設備的連接。

9、它可以通過動態調整信號參數，減小干擾，提高網絡的連接密度。這有助于滿足高密度連接的需求，包括物聯網設備、智能城市應用和大規模傳感器網絡。2IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group4.環境適應性：時間反演技術的自適應性使其能夠適應不同的環境條件，包括極端地理條件。它可以根據環境特點和條件自動調整信號傳輸，以滿足不同地理區域的通信需求，不論是在極地、沙漠、高山還是城市中，都能夠提供可靠的通信服務。5.安全性和隱私保護：時間反演技術可以提高通信的安全性，通過實現加密和隱私保護，減小竊聽和干擾的可能性，確保用戶數據的隱私和通信的保密性。它可以為 6G 通信系

10、統提供更高水平的安全性，保護用戶的隱私和數據?？偨Y來說，時間反演技術通過其自適應性、多路徑傳播的優化、抗多路徑干擾能力、頻譜效率優化、網絡切片技術的結合等特性，為 6G 通信提供了關鍵支持，以滿足低延遲、高密度連接、廣泛覆蓋、環境適應性和安全性等多樣化需求。6G通信的發展離不開不斷的研究和技術創新，時間反演技術將在 6G 通信中發揮重要作用，為實現 6G 通信的愿景，即高速、低延遲、高密度連接和可持續通信，提供強大的支持，創造更廣泛的機會，促進科技創新和社會進步。通過不斷的研究和發展，時間反演技術將在 6G 通信中扮演關鍵角色，為未來的數字社會帶來更多便利和創新。1.1 時間反演技術與全息理論

11、全息理論是基于波動方程的時間反演不變性。它依賴于這樣一個物理規律，即通過知道任何封閉表面上的場（及其法向導數）就能夠完全確定空間內的場。因此，到達二維（2D）表面的信息足以恢復整個空間內的所有信息2?；谶@一特性，1947 年 Denis Gabor3引入了傳統全息技術，該技術為反向傳播單色波場和獲得 3D 圖像提供了一種全新的方法。它需要使用位于任意封閉表面上的發射器-接收器天線，基于電磁波的干涉原理，在接收天線處實現場的記錄，并經過數字化、存儲、時間反轉和重播后再基于電磁波的衍射原理重建初始場。如果陣列通過良好的空間采樣截取了整個正向傳播的波，則會生成完美的反向傳播副本。1959 年，Wi

12、gner4提出時間反演態不是時間倒流，而是運動方向的倒轉，正反運動過程都必須遵循相同的因果性。Fink5,6小組分別于 1992 年和 1993 年討論了時間反演腔和時間反演鏡的概念。文獻5中從波動方程出發，利用格林函數得到了一個封閉腔中的時間反演場，提出了時間反演腔理論。該理論假設的時間反演腔是一個三維密閉腔體，其腔壁上布滿探測器，用于完整地獲得該封閉腔壁上的場信息。時間反演腔理論基于波動方程的時間反演對稱性7，在給定的媒質和邊界條件下，如果場(,)r t是波動方程的解，那么(,)rt也是波動方程的解。因此，3IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Grou

13、p如果我們能記錄媒質中的源所發出的全部場，再將接收到的信號經過時間反演處理后發射回去，就可以建立場(,)rt，實現重建初始場的目標。從全息的定義和其物理原理的角度來看，我們可以觀察到時間反演技術同樣源自波動方程的時間反演不變性。該技術通過在封閉表面上記錄場的信息，進而確定了空間內的場分布，從而實現了對原始波場的恢復過程。從數學角度來看，時間反演技術的表達式可以寫為8*()()()()rFCzzC(1-1)其中()FC是輻射源時域信號的頻率表達式，()z是信道的頻率響應，“”代表共軛操作，公式(1-1)的傅立葉逆變換即為時間反演的輸出信號形式。傳統全息技術的表達式可以寫為2121212*1212

14、12(,)(,)(,)(,)(,)(,)zzgu uz u ugu uz u uz u ugu u(1-2)這里，1,2u是對應于橫向坐標 x 和 y 的空間頻率，12(,)g u u是信號在平面0z 中的傅立葉譜，12(,)z u u是平面0z 和zz之間傳播信道的空間頻率響應。在傳統全息技術中獲得的信號為212(,)zg u u的傅立葉逆變換。對比公式(1-1)和(1-2)，前兩項體現了信道的頻率響應的作用，第三項是發射的信號頻譜。兩種技術的表達式形式完全相同，信道的頻率響應都是函數的平方絕對值。不同之處在于時間反演技術的信道頻率響應是頻率的函數，兩種頻率響應的性質彼此不完全相同。如果忽略

15、環境對于信號的阻礙作用，即信號處于環境的通帶范圍內，可以認為時間反演技術是寬帶的傳統全息技術，而傳統全息技術只是窄帶的時間反演技術。綜上所述，在物理原理和數學基礎方面，時間反演技術和傳統全息技術呈現出根本上的相似性，所以時間反演技術和傳統全息技術本質上都是全息理論的兩種應用手段9。與傳統全息技術通過操作空間邊界以記錄波場信息所異的是，時間反演技術通過對時間邊界的操縱實現波場信息的記錄與恢復。因此，時間反演技術無需依賴相干信號以實現相位記錄，且避免了需要連續空間中的天線陣列來獲取波前相位信息。這一特點顯著降低了天線排列布局的要求，并將相干信號的需求轉化為對時間反演鏡的時間同步要求。從應用范圍和效

16、果層面考慮，時間反演技術在多色情境下表現出良好的適應性，而傳統全息技術則在單色情境下具備其適用性。與只依賴空間的傳統全息技術相比，時間反演技術產生的結果取決于時間和空間。傳統全息技術只涉及單色波場，所以其不具有時間的依賴性，故而也不存在時域聚焦的概念。對于時間反演技術，其時間依賴性直接由方程(1-1)決定，空間依賴性通過時域脈沖響應的相4IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group關函數的空間依賴性來描述。公式(1-3)展示了在初始源鄰域中的時間反演信號形式，這里的新函數()az是到觀測點位置的頻率響應函數*()()()()raaFCzzC(1-3)作為

17、信道響應的互相關函數的頻譜確定時間反演信號聚焦的空間相關性。這一特征使得時間反演產生的空間變換與傳統全息技術有很大不同，也是時間反演技術相較于傳統全息技術的優勢所在。傳統全息技術空間變換取決于輸入信號的形式，但在時間反演中，空間變換（聚焦）不取決于信號形式，并且完全由公式(1-1)或信道響應的互相關函數來確定。從執行程序的角度考慮，時間反演技術需要三步：記錄接收天線的時域信號；將接收天線的信號進行時間反轉（頻域取共軛）；發射經過時間反演處理的信號來重建原始波場。與之相對，傳統全息技術同樣遵循三步操作序列：發射目標信號與參考信號；接收天線記錄相位信息；相干源照射全息圖通過干涉來重建原始波場。值得

18、注意的是，當代計算機技術使得我們得以通過計算手段直接獲得第三步所需的輻射信號，避免了對相干光源的實際照射需求?；诔绦驁绦械膹碗s性及計算負荷而言，時間反演技術同樣凸顯出其相對于傳統全息技術的優越性。一個基于空時變換的時間反演全息水波成像如圖 1-1 所示。某物體在0t時刻接觸水面，即在0t時刻產生水的波動，若整個水體在0tt時刻受到均一的擾動，強迫改變時間邊界條件，一部分水波將會反向傳播，進而在02tt 時刻重建出原物體的形狀。圖 1-1 基于空時變換的時間反演全息水波成像25IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group時間反演技術和傳統全息技術都是全息

19、理論的衍生技術。然而，無論是應用領域的廣度還是功能特性，時間反演技術在多個方面均顯現出相對于傳統全息技術的優越性。1.2 時間反演全息無線電通信技術的特性TR 無線通信系統相比傳統寬帶通信具有非常多的特性，例如更好的安全保密傳輸特性10，超分辨率的空間聚焦11。除此之外，時間反演系統在誤碼率，信噪比等方面都有非常良好的性能。1.2.1 安全保密傳輸性時間反演的時-空聚焦特性能夠使得多徑信號在同一時刻匯聚到源點處，而不在聚焦區域的信號極其微弱。時間反演鏡（發射機）的數量越多，源點處的聚焦能量密度越高，聚焦效果越好12。時空聚焦特性能夠提高無線傳感器網絡信息在空間傳播的抗檢測/截獲性能，降低信號在

20、空間被非法截取的概率13?，F有技術提出一種基于時變多徑傳播效應的無線隱身系統14。信號偽裝系統原理如圖 1-2 所示。事件信號(藍色圓圈)與隱形信號(紅色圓圈)混合在一起，隱形信號起到了人工噪聲的作用。事件信號和隱形信號被送入腔體中，多徑效應使得事件信號和隱形信號分散并且混合成一個時間包，事件的信號強度小于隱身信號，被偽裝成噪聲。然后將混合信號進行時間反轉，接收端操作發射端相同，將混合時間反轉信號送入完全一樣的腔中還原信號。如果沒有時間反轉操作和完全一樣的輸入輸出系統，那么只能得到混合信號，提取不了有效信息。圖 1-2 信號偽裝系統原理圖14還有一種技術將連續波變成脈沖波，信號插入到脈沖串，然

21、后再操作變成連續波，恢復的數據在最終解碼之前在時域中以反轉的形式出現，因此需要進行額外的時間反轉操作以獲得正確的數據15。6IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group1.2.2 低誤碼率和高信道容量誤碼率等于傳輸中的誤碼與所傳輸的總碼數的比值，TR 無線通信系統的誤碼率16和信道容量17都要優于傳統超寬帶通信系統。目前已有系統包括時間反演超寬帶(TR-UWB)無線通信系統和基于時間反演的寬帶正交頻分復用多輸入多輸出(TR-OFDM-MIMO)通信系統。圖 1-3 分別給出了不同傳輸系統的誤碼率和信道容量隨信噪比的變化。SISO 表示單入單出，MISO表

22、示多入單出，AWGN 表示加性高斯白噪聲信道。其中 MIMO 系統采用了 22收發天線系統，MISO 是 21 系統。FFT 長度為 128，信道模型采用多徑信道，系統帶寬 20MHz，循環前綴長度為 16，調制方法采用 16QAM。在誤碼率上，SISO-OFDM-AWGN 沒有經過信道傳輸造成的衰減導致誤碼率最低；因為時間反演技術的時間聚焦效應，TR-SISO-OFDM 系統的誤碼率接近于SISO-OFDM-AWGN；TR-MISO-OFDM 信道的互相關函數值干擾較小，其誤碼率低于 MIMO-OFDM 系統；TR 預濾波技術性能上優于接收機的迫零均衡器，TR-MIMO-OFDM 系統的誤碼

23、率要低于使用迫零均衡器的 MIMO-OFDM 系統。在通信容量上，由于采用了多對天線同時進行信號收發，MIMO 系統的容量要優于 MISO 系統以及 SISO 系統；采用時間反演技術之后的 MIMO 以及 MISO系統的信道容量都得到了提高，TR 的時間聚焦效應使得等效 TR 信道的平均增益高于直接傳輸時的系統信道增益。(a)(b)圖 1-3(a)不同信噪比下不同傳輸系統的誤碼率對比；(b)不同信噪比下不同傳輸系統的信道容量對比18有實驗將時間反轉技術應用于四進交疊脈沖位置調制(OPPM)中19，時間反演技術的引入大大降低了高速 UWB 通信系統的誤碼率，具有 10-2 階誤碼率，同時數據速率

24、達到 1Gbps。還有功率補償后的時間反演脈沖超寬帶通信在滿足 IEEE 規7IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group定的輻射掩蔽要求的同時，在誤碼率上也優于傳統脈沖超寬帶系統20。還有一些影響寬帶通信系統性能的因素，例如收發天線的色散造成的損耗21，天線間的耦合對系統容量的影響等。實驗證明，時間反演可以大幅提升通信系統的信噪比22，準確獲得信息傳輸的起始時間23，減低與窄帶系統在重合頻段上的干擾24。加入了時間反演技術之后，整個通信系統性能的質量有了巨大的提升。綜上，時間反演無線通信已經實現了一定空間范圍內的信息傳輸，并且相比傳統寬帶無線通信具有更

25、高的安全保密性，信道容量和更低的誤碼率，寬帶系統加入 TR 系統后的通信性能顯著提升。在面對未來 6G 無線通信技術挑戰的背景下，時間反演技術作為一項具有無窮潛力的技術，將與各類新興技術協同作用，以期構建一個強大且穩定的通信網絡。第二章 基礎原理與模型2.1 TR 無線通信技術原理TR 無線通信技術系統中，最重要的參數是信道()h t。IEEE 802.15.3a 工作組于 2003 年 7 月推薦了一種超寬帶室內多徑統計信道模型，通信頻率范圍是 3.110.6GHz，這種模型將同一脈沖的多徑分量以簇的形式到達接收機，每一簇還有多條路徑，沖擊響應()h t表示為：()11()()K nNnkn

26、nknkh tXtT(2-1)nT是第n簇到達的時間；nk為第n簇第k條多徑分量到達時間，增益為復隨機變量nk；對數正態隨機變量X是信道的幅度增益；N為可以觀測到的簇數；()K n是第n簇內的多徑數目；在 TR 無線通信系統仿真中，傳統的的技術基于 FDTD 方法研究 TR 通信系統25。但周圍環境改變會引發信道變化，此時用其他方法計算信道時間成本耗費較大。所以將神經網絡引入到信道建模中以快速確定環境改變后的信道模型。利用反向傳播(BP)神經網絡進行信道建模，為防止陷入局部最優解，利用能夠全局優化的遺傳算法來優化 BP 神經網絡26。實驗證明，利用神經網絡獲取接收信號所耗時間比通過 FDTD

27、的時間縮減了 632 倍。并且在越復雜環境中時間反演得到的信道越準確，神經網絡方法的效率相比傳統方法越高。8IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group2.2 系統架構2.2.1 時間反演超寬帶(TR-UWB)無線通信技術時間反演超寬帶無線通信系統通過沖激脈沖信號進行傳輸，UWB 系統通常是指相對帶寬超過 20%或者絕對帶寬大于 500MHz 的系統。2002 年美國聯邦通信委員會(FCC)限定了超寬帶通信系統的帶寬為 3.110.6GHz，發射信號譜能量密度不得超過41.3dBm1。多輸入多輸出(MIMO)的 TR-UWB 系統如圖 2-1 所示。圖

28、2-1基于時間反演技術的 UWB 脈沖通信系統示意圖10由(2-1)，得到接收點r處的時間反演等效信道模型為0000()()00000000000,21111()()()()nNKKNnknnknkRththtXtTT rrrrr rrrrrrrrrr(2-2)電子科技大學的研究團隊已經搭建了一套 TR-UWB-MIMO 通信平臺。實驗系統是由任意波形發生器、計算機以及數字串行分析儀實現。圖 2-2(a)展示了時間反演超寬帶脈沖高速通信系統。TRM 中的兩個天線分別固定連接到任意波形發生器的兩個端口，亞波長陣列中的天線單元分別固定連接到串行數字信號分析儀的端口。依據信道的互易性，時間反演實驗過

29、程中，首先由 TRM 中的天線發射信號，亞波長陣列中的天線接收到的信號經過計算機反演后仍然由TRM中對應的天線繼續發射。信號采用 PPM 對脈沖進行調制，時間反演鏡中的天線 a(或 b)將欲發送給亞波長陣列所有天線的調制信號先疊加再發射，調制好的合成信號經 TRM 發送出去，受時間反演電磁波的時空聚焦特性約束，會分別聚焦于亞波長陣列中對應單元。系統帶寬為 0.5-7.8GHz、212GSpsDAC、100GSpsADC、2x3MIMO 系統、發射端距離、接收端采用亞波長陣列間距/15，每路信號的傳輸速率為 500Mbps，傳輸距離為 4.5m，實驗環境為普通室內環境27。文獻28、文獻29、文

30、獻30以及文獻31利用普通的多天線進行 MIMO 通信實驗，給出的通信速率最高僅為250M 比特/秒，與此相比，本系統的通信速率可以達到 1.5G 比特/秒，提高了至少5 倍。9IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 2-2(b)展示了時間反演超寬帶脈沖高速通信系統對圖片的傳輸過程。圖片傳輸以 23 TR-UWB-MIMO 通信方式傳輸圖 2-2(b)中的圖片，采用 RGB 方式分解成紅綠藍三種顏色再利用 ASCII 碼進行編碼?？梢钥吹綍r間反演系統可進行高速率、高質量的并行數據傳輸，并且通信效果良好。TR-UWB-MIMO 系統的儀器是影響通信

31、效率的主要因素。任意波形發生器即時存儲信號的內存為 64MB，儀器每次發送脈沖的時間寬度不超過 15000ns（這個因素是限制效率的關鍵），并且每發送完一幀數據，必須要間歇片刻才能夠發送下一幀數據。這意味著，雖有先進的任意波形發生器儀器，但是無法讓儀器連續不間斷的發送信號。如果要傳輸龐大的數據量，就需要分段、分時處理，分時、分段會強行打斷通信的連續性從而造成實驗效率的下降。如何結合儀器進行實時高效的處理數據，需要從軟件與硬件兩方面取得進展。(a)(b)圖 2-2 時間反演圖片傳輸實驗示意圖110IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group2.2.2 基于

32、時間反演的寬帶 TR-OFDM-MIMO 通信系統正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)將一個寬帶信號在發射機端劃分為多個窄帶信號再合成進行傳輸，依靠每個子載波信號的相互正交性極大減小消除載波間干擾；多輸入多輸出(Multiple-input-multiple-output,MIMO)系統可以對抗信號衰落，獲得容量增益；TR-OFDM-MIMO 可以對系統進行預編碼處理最大化信道容量?；跁r間反演技術的 MIMO-OFDM 系統的數據流程圖如圖 2-3 所示。圖 2-3 基于時間反演技術的 MIMO-OFDM 數據流程圖1

33、8圖中發射信號天線數目為 M；接收天線數目為 N；mnh是第 m 個發射天線到第 n 個接收天線的信道響應；()ns t為第 n 個信號流，()mx t是經由第 m 個天線發送的數據流，此外，()ny t為第 n 個天線的接收信號，()z t是均值為零方差為2z的加性高斯白噪聲。目前現有 TR-OFDM-MIMO 通信系統是基于軟件無線電技術而建立的。軟件無線電是一種無線電通信技術和體系架構，其提供了一種建立多頻段、多功能、多模式的高效且廉價的無線通信方案?，F有技術利用 Nutaq 公司生產的PicoSDR4x4 搭建軟件無線電平臺，PicoSDR 提供基于 System Generator

34、FPGA 開發軟件的開發工具，該開發工具集成于 MATLAB/Simulink 環境里，應用基于模型的開發包（MBDK）來搭建 TR-MIMO-OFDM 發射端，接收端鏈路。PicoSDR 主要由 RTDEx 模塊，射頻板卡 Radio420M 和基帶處理板卡 Perseus 601x 構成?；赟imulink/Matlab 環境搭建出 TR-MIMO-OFDM 無線通信系統的收發鏈路模型如圖2-4 所示。在接收端，通過 Nutaq Simulink 模型庫自帶的 ADC 采樣后，通過低通濾波對 ADC 采樣后的數據進行下變頻處理，送入接收機進行信號處理。接收機首先進行峰值檢測，進行幀同步。

35、然后去除循環前綴，同樣將數據保存在 RAM 內11IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group部，通過操作數據地址進行處理。隨后進行 FFT 處理。信道估計模塊會估計 H 矩陣并存在 ROM 內。然后應用前面信道估計矩陣估計出的信道矩陣求逆，進行時間反演處理。隨后完成 QAM 逆映射。將解調出的數據進行解擾碼和串并轉換處理，轉換為 32 位浮點數據發送到 PC 端，在實驗階段用 System Generator 編譯成位流文件，以供平臺實現。圖 2-4 基于 Simulink 的 TR-MIMO-OFDM 收發通信鏈路模型32當今無線通信系統的發展趨勢是

36、 Massive-MIMO 技術，即大規模天線技術。順應當前趨勢，研究大規模收發天線單元情況下時間反演技術的應用算法，以及驗證其性能優勢，是有待進一步研究的方向。但是當接收天線數目過多時，往往會由于多個聚焦場副瓣的原因嚴重影響其通信性能。如何設計天線以減小聚焦場副瓣影響，避免相鄰天線耦合造成的互相關干擾。并研究更好的接收解調算法，需要進行更多的研究。除此之外，現有的基于 SDR 平臺進行了 TR-MIMO-OFDM 系統是在接收端進行的 TR 處理，而實際應用通信系統應該在基站端進行 TR 預處理操作，以減少接收端的計算量。但時間反演預處理需要在發射端精確得知接收端估計的信道信息，這就需要設計

37、一種實時信道信息反饋機制，從而在發射端利用信道信息。要在收發分離的兩個平臺完成上述功能需要更精準的定時同步技術和信道估計技術。實現發射端 SDR 平臺完成 TR 預處理，對 TR-MIMO-OFDM 技術走向實際應用具有重大意義。12IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group2.3 理論與模型2.3.1 基于時間反演的波束賦型理論與建模6G 的需求和應用場景要求其具有超高速率、超高數據密度和超低延遲的特性以滿足海量高性能智能超級終端的高效數據交互和計算協同需求。實現電磁空間和頻譜信息的精密調控，有助于突破傳統通信的基本覆蓋范圍限制，高效地實現超密集海量

38、物聯網的數據和能量傳輸。傳統的電磁波調控方法主要是基于對饋電網絡的調控，通過饋電網絡的結構分布，在電磁波發射前對相位、幅度或者極化等屬性進行調控，而傳播過程中積累的相位差等無可避免。時間反演電磁波具有時-空同步聚焦、自適應聚焦、超分辨率等特性，因其獨特的探測與回溯機制，可以有效地減弱電磁波在非均勻復雜環境中傳播受到的干擾及多徑延遲衰減，即便是應用在電磁環境較為復雜的場景中，也能表現出良好的技術優勢?；谶@些特性構建的新型電磁波應用系統將為空間電磁場的空間調控技術帶來突破性的進步，例如，實現電磁能量的高效率匯聚、高精度定位、電磁環境的再現等。本節將從電磁場的波束控制和場賦形兩方面對時間反演技術的

39、應用進行介紹。2.3.1.1 基于時間反演技術的波束控制對于規則陣列，例如理想線性陣列或平面陣列，陣列激勵可以通過經典的合成方法精確確定，如 Taylor 方法、Dolph-Chebyshev 方法和傅立葉合成33。然而，對于不規則天線陣列，這些經典的合成方法并不成功。這主要是由于難以準確表征元件相互耦合和不規則形狀散射的影響。為了合成不規則或共形陣列，近年來開發了各種新的合成方法，如投影法34、自適應處理35、最小二乘法36、通用算法37,38和粒子游動優化39,40。然而，這些合成方法大多是在頻域中開發的。對于寬帶波束控制陣列，這些方法通常需要對每個期望轉向角的每個頻率下的波束方向圖函數進

40、行耗時的數值優化。同時，設計者必須事先了解元件相互耦合和平臺散射的頻率相關效應41-43。眾所周知，這些效應很難準確地表征，因為它們不僅取決于操作頻率，還取決于元件的放置和陣列的不規則結構形狀。一種可能的解決方案是使用全波數值模擬或真實世界的實驗來表征它們。但數值模擬或真實世界的實驗必須在每個天線元件的每個頻率下獨立進行。如果陣列具有寬的帶寬和大量的天線元件，則波束方向圖合成將變得相當復雜。時間反演具有空時同步聚焦特性，利用封閉環境或多徑環境對電磁波進行空間與時間上的聚焦，即在波源位置產生一個聚焦點。但這并不意味著其應用只能局限于點聚焦。在某些情況下，時間反演電磁波可以呈現出不同于點聚焦的性質

41、。13IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group除了關注最后時刻的聚焦特性以外，以時間反演鏡為例，當目標相對于時間反演鏡陣列的距離很遠時，由目標發射或散射的電磁波到達時間反演鏡陣列附近時呈平面波狀態，而當時間反演鏡系統反演接收信號并重新發射后，電磁波的回溯可以自適應的進行變換，最終恢復出原入射波陣面，即呈現方向回溯特征，產生時間反演自適應波束，如圖 2-5 所示。圖 2-5 時間反演電磁波的方向回溯示意圖27基于時間反演的方向回溯特性，文獻44提出了一種利用時間反演技術合成任意結構波束轉向陣列的寬帶波束合成方法。在陣列綜合中，目標波束偏轉角dd,由一系

42、列激勵向量 a決定，下圖 2-6 給出了采用基于時間反演的陣列合成方法確定陣列激勵 a的過程，從目標角度dd,發射信號 s t，則陣列系統的接收信號為 rxdd*,ts tt yp，“*”表示卷積操作，rxdd,t p接收模式的信號響應，同一陣列下它與發射模式的信號響應rxdd,t p相等。對經過時間反演后的信號 t y。進行傅里葉變換即可得到陣列激勵向量 *rxdd,s ayp(2-3)其中“x*”表示復共軛操作，該方法利用時間反轉，而不是優化每個頻率下的波束圖成本函數，來確定陣列激勵。由此，該方法僅需一次時間反演操作便能一次性確定一個寬頻范圍內的陣列激勵從而實現精確的波束轉向，且該方法適用

43、于合成任意結構的波束轉向陣列，大大減少了傳統陣列合成方法所需的優化計算。此外，值得注意的是，陣列輻射可得的最大增益maxdd,G 和其對應的最佳激勵向量 optimalc由式(2-4)給出，其中0Z表示空間中的波阻抗，表示2L范數，為任意非零復數因子。2maxddtxdd0*optimalrxdd4 ,GpZc p(2-4)對比式(2-3)和式(2-4)并令 s，可得 *optimalcy，即表明使用時間14IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group反演激勵*y獲得的方向圖在目標角度dd,處的增益dd,G 比使用其他任何激勵 *ay獲得的增益都要大，圖

44、 2-7 展示了這一特點。圖 2-6 基于時間反演的陣列合成方法44圖 2-7 使用*y和 *ay激勵陣列的增益模式44雖然時間反演技術能夠自適應地補償由信道產生的相位差，但多數研究都是基于完全互易信道，僅限于短距離應用。當目標點位于高海拔、遠距離時，長距離信道的時變無法忽視，信道互易性被破壞從而影響其相位補償效果。文獻32針對此類非完全互易信道提出以信道時變因子為特征的慢時變大氣信道中的時間反演功率合成模型，對高海拔地區功率合成效率進行分析表明為了使功率組合效率保持在 50%以上，大氣的通道時變因子應小于信號周期的 54.3%，而當超過 90%以上的信號周期時，每個天線輻射到目標點的信號都是

45、完全不相干的。這為進一步研究基于時間反演技術的長距離應用提供了理論基礎。由于時間反演能夠不依賴傳播媒質電磁參數,傳輸信道特征仍能夠獲取電磁波傳輸特性，文獻45提出一種基于時間反演技術的復雜天線罩輻射波束畸變糾正方法，通過時間反演操作取代繁瑣的建模迭代過程，實現寬頻帶的輻射波束糾正和增益提升，其方法示意圖如圖 2-8 所示。在對天線罩輻射波束畸變改善的驗證中，以結冰狀態天線罩下目標波束指向+45為例，圖 2-9 給出使用傳統移相掃描方式與使用所提方法的輻射對比，使用所提方法時結冰天線罩的輻射畸變得到明顯的改善，主瓣重新匯聚在目標方向且具有較高的輻射增益，傳統方式中產生的旁瓣也得到有效抑制。15I

46、MT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 2-8 基于時間反演的天線罩下陣列輻射方法45圖 2-9 目標波束指向 45時傳統方法(a)與時間反演法；(b)在遠場的實際增益值45電磁波在傳播過程中向空間各個方向擴散，導致接收效率和空間分辨率的下降，而特殊波束獨特的非衍射、自加速特性使它們成為通信、長距離無線能量傳輸領域一個非常有意義的解決方案。人工電磁表面的提出與發展也為電磁波調控提出了全新的方法與手段，通過對超表面單元的結構尺寸設計，可以使其工作在特定的工作頻段，并實現對電磁波傳播特性如相位、幅度、極化方向的精確調控?；诖?，文獻46中將時間反演技術

47、與 Bessel 波束形成相結合，應用時間反演方法設計出能夠將平面波轉換為在指定方向上傳播的Bessel波束的超表面。圖2-10給出了基于時間反演方法產生任意角度的 Bessel 波束的過程示意圖，通過對Bessel 波束進行發射模擬獲得其時間反轉后的相位信息并由此確定超表面的單元結構尺寸以代替 TRM 的發射功能，從仿真和實驗的角度驗證了方法的有效性。圖 2-10 基于時間反演方法產生 Bessel 波束46同樣的，文獻47提出一種基于時間反轉孔徑（TRA）理論產生特殊波束的方法，通過高精度相位調制和雙極化超表面的 TRA 控制，設計出一個寬帶雙極化相位調制超表面，實現由 TE 平面波激勵產

48、生傾斜的 Bessel 波同時由 TM 平面波入射產生加速波束，使用該方法可以實現更小的陣列和更大的非衍射距離。此外，時間反演電磁波的回溯與聚焦效果依賴于入射波信息的完整性，而在大角度和復雜區域聚焦等問題上仍存在由于信息丟失而產生錯誤的局限性。為此，文獻48提出一種時間反演和向量擬合方法相結合的精確聚焦算法（TRVF）。通過16IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group引入向量擬合算法解決信息丟失的問題，不僅解決了上述所說的局限性，而且速度快、能夠全局優化、不累積誤差，可用于在各種應用中提供高性能的超表面。圖 2-11 傳統算法丟失一些信息導致聚焦結果

49、能量分散和位置偏移482.3.1.2 時間反演空間電磁場賦形根據唯一性定理，在內部無源的閉合表面 S 內，內部任意點任意時刻的場由 S表面的切向電場或切向磁場分量唯一確定。在內部無源的閉合表面 S 內，根據場的積分表達式可以由 S 表面的電磁場算出內部任意點任意時刻的電磁場分布。據此，可以通過調控表面切向電/磁場分量來實現不同的 S 內電磁場分布。對比傳統的場分布優化，基于時間反演的空間電磁場賦形由于其自適應空時聚焦特性，只需要一次正向計算或測量即可得到所需的解，省去了反復優化的過程。6G 技術的需求和應用場景要求能夠在空間中產生定制的場分布，對其控制精度也有著極高的要求。文獻49中提出一種基

50、于傅里葉變換和時間反演的一維均勻微波場合成方法。通過傅里葉變換直接從期望均勻微波場的空間譜系數解析確定TRM 天線的激勵振幅，而時間反演用于自適應補償元件耦合和距離不同造成的相位差。使用該方法能夠精確生成期望的均勻微波場且減小相位偏差，對不同采樣方法、光譜缺失、TRM 數目及位置偏移量等的影響研究表明 TRM 天線可以被稀疏地設計，并允許在沒有高精度的情況下安裝，這在實際應用中具有指導作用。針對一般場賦形實例中分辨率不足而限制時間反演場賦形性能的問題，文獻50 提 出 一 種 基 于 時 間 反 演 技 術 和 缺 陷 超 表 面 的 亞 波 長 場 賦 形 方 法（DM-TR-SFSA），該

51、方法能夠應用于二維和三維亞波長場賦形中，對比未使用缺陷超表面的聚焦效果，該方法在單目標和多目標場賦形中均能實現分辨率約為/10，且通過使用較少的 TRM 就能顯著改進分辨率，可應用于無線電功率傳輸、工業加熱和局部無線通信中。圖 2-12 展示了基于該方法的多目標亞波長場賦形效果，用于聚焦的諧振結構為開口環諧振器，尺寸為 10 mm，大約是工作頻率 3.55GHz的/10，從聚焦圖像中可以清晰識別出 UESTC 的字樣。17IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 2-12 基于 DM-TR-SFSA 的多目標亞波長場整形50圖 2-13 圓形有限區

52、域內隨時間變化的復雜電場分布51而由于多數研究都從頻域的角度出發研究電磁場賦形的結構設計，通過控制陣列的振幅和相位因子等實現場賦形，當期望場發生改變時就需要對結構進行重構，如文獻52提出了一種基于超材料的電磁場變換方法，在理論上任意控制電磁場，近年來引起了越來越多的關注。通過利用超材料提供的自由度，EM 場可以自由地重定向和聚焦。然而，還有許多技術問題需要解決，如超材料的損耗大、頻帶窄、復雜性高、靈活性差53-55，還有一種基于 TR 的 EM 源合成方法，該方法結合反向 TLM 方法56，從其 EM 遠場輻射圖重建未知源分布。然后，基于 TR聚焦特性，在具有電子可調諧超表面的反射介質中形成波

53、場57。然而，這些方法只產生簡單形狀的電場，如散斑，這限制了其應用。文獻51從電磁輻射的角度研究了由點電流源（PCSs）激發的電磁場在時間反轉腔（TRC）或時間反轉鏡（TRM）中的傳輸情況，提出在規定時間有限區域內產生任意形狀瞬態電場的方法。圖 2-13給出了使用 360 個天線元件來構建圓形 TRC 平面，其中 1 每個天線的間隔度，并以 2.45GHz 為中心的持續時間為 0.4082ns 的高斯調制脈沖作為信道檢測脈沖和重傳成形脈沖的信號來實現在圓形有限區域內隨時間變化的復雜電場分布，可以看到目標場形在 4.0186ns 時出現，通過改變用于波形設計的 TRC 尺寸可以控制期望場出現的時

54、間。表 2-1 總結了該方法與其他研究方法的比較結果。該方法較其他方法所得電場具有高分辨率、低旁瓣、定位精準的特性，可用于解決復雜介質和任意形狀的有限空間、高精度定位問題。表 2-1 基于時間反演的電磁場賦形方法與其他方法比較基于時間反演的電磁場賦形方法其他電磁場賦形方法維度時域頻域18IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group實現場賦形的方法波形設計幅度和相位設計當所需場發生變化時，是否需要重新計算否是可實現的場形狀任意斑點或簡單形狀目標場出現時間可以控制不能控制2.3.2 電磁信號的時間反演實現技術理論與建?；跁r間反演電磁波的時空同步聚焦和空間超

55、分辨率聚焦等特性，新型電磁波應用系統如大容量綠色通信、高效無線輸能和超分辨率成像正迎來突破性的進步，從而為新一代無線信息技術帶來新的可能性。時間反演信號的產生作為實現時間反演電磁應用系統的基礎，也是時間反演電磁學需要攻克的關鍵問題之一。目前，電磁信號時間反演的實現方式主要分為兩類：基于數字信號處理技術和基于模擬信號處理技術1,58,59。前者可通過時域信號的采樣、存儲和反轉處理，或者頻域相位共軛，實現時間反演；后者則利用器件的物理特性直接實現反演變換，包括微波光子技術、全電子技術和瞬變介質等。模擬信號處理技術不需要對信號進行離散化取樣處理，具有更好的速度、帶寬和成本優勢。2.3.2.1 基于數

56、字信號處理技術實現電磁信號時間反演基于數字信號處理技術，直接在時域進行電磁信號時間反演的流程如圖 2-14(a)所示。受 ADC、DAC 轉換器件采樣速率的限制，直接時域數字信號處理目前只用于低頻信號，例如在聲學/超聲時間反演系統中；對微波頻段的電磁波時間反演系統，實現還很困難。目前，有關電磁波時間反演研究的報道中，反演信號的產生多采用高檔儀器實現，如高端任意波形發生器(AWG)、高端示波器(DSA)等60。這種方式成本高，難以走出實驗室、進入應用。圖 2-14 基于數字信號處理技術實現時間反演(a)直接時域數字信號處理；(b)相位共軛方法信號時間反演變換等同于頻域中對每個頻率分量進行相位共軛

57、變換。因此，通過傅里葉變換將時域信號轉換至頻域，對信號在頻域進行相位共軛處理，再通過傅里葉逆變換可得到時間反演信號。圖 2-14(b)中所示為相位共軛變換產生時間反演信號的流程。對于單頻信號，相位共軛可通過混頻器等簡單電路實現61。當19IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group本振信號2LORF時，與 RF 信號進行混頻，將得到一個與 RF 信號同頻但相位相反的輸出信號。2009 年，Sha 等62學者成功采用相位共軛技術實現了周期性寬帶電磁信號的時間反演。系統包含四個模塊：時域轉頻域的傅里葉變換電路、頻域各分量相位共軛處理、逆變換電路獲得時域反演信

58、號、包絡檢波電路協調 DSP 處理。然而，該方法仍有局限性需進一步改進：無法處理非周期信號、DSP 相位共軛處理實時性較差，且外加本振頻率源會限制工作頻段等。上述基于數字信號處理技術來實現電磁信號時間反演的方法，無論是直接在時域還是頻域進行，都需要進一步深入研究以提高數字信號處理效率。壓縮感知理論是一種先進的信號處理理論63，能夠在壓縮采樣的情況下無失真地恢復信號，為超寬帶時域電磁信號采樣和信號重構提供了新的可能性64。將壓縮感知理論應用于電磁信號時間反演，以提高處理效率，是需進一步努力探索的研究方向。2.3.2.2 基于時域成像原理實現電磁信號時間反演根據 Kolner 的研究65，空域中波

59、束的近軸衍射問題與時域窄帶脈沖在色散媒質中的傳播問題滿足形式相同的復擴散方程。此外，時域中的相位調制與時間平方成正比，與空域中的相位調制與波束徑向距離平方成正比相對應?；谶@種時-空對偶特性，可以定義與空間薄透鏡對偶的“時間透鏡”，并進一步推導出時域成像的概念。在空間凸透鏡成像問題中，像的變換尺度與物像在透鏡前后的距離相關，可以用變換尺度/siMd d來表示，式中d為物距，id為像距。與之對偶的時間透鏡成像問題中，波形變換尺度與信號經過時間透鏡前后的色散量相關66，表示為22222211(/)/(/)TMdddd。式中，1與2表示電磁波在到達時間透鏡前和離開透鏡后的傳播距離。顯然，當1TM，即

60、信號到達時間透鏡前的色散量與離開時間透鏡后的色散量相同時，電磁信號的波形會在時間軸上反演。時間透鏡實質為一個二次相位調制過程，通過將輸入信號與啁啾脈沖信號相乘來實現。信號經過時間透鏡前后的色散可以通過兩段一定長度的色散延遲線獲得。因此，在時域成像系統中，只需設計出透鏡前后群時延斜率滿足波形反演條件的色散延遲線，便可對輸入信號進行波形反演變換。目前，基于時域成像原理實現電磁信號時間反演的方案主要有兩種，微波光子技術方案和全電子技術方案60，后者有時間透鏡和色散補償方案兩種實現方法。電子科技大學王秉中團隊構建了寬帶微波光子 TR 模塊，并成功應用于時間反演-超寬帶（TR-UWB）通信系統樣機67。

61、TR 模塊采用了兩段線性單模色散光纖，20IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group其色散系數相反，長度之比選取為 1：2。整個系統全部采用模擬方法實現信號檢測、TR 變換、實時調制和信息傳輸，無需昂貴高端設備，系統帶寬超過 10GHz，并展現出優秀的 TR 性能。圖 2-15 基于微波光子技術的 TR-UWB 通信系統67對于微波系統，采用微波光子技術進行電磁信號時間反演具有系統時間-帶寬乘積高、高分辨率、易實現所需帶寬等優點。然而，這類系統體積較大，需要昂貴的激光源和電光/光電轉換器件，不利于時間反演電磁系統的集成和小型化。相比上述方法，全電子技術

62、方案成本低、易集成，是實現高效時間反演陣列的有效途徑之一。電子科技大學王秉中團隊相繼提出了基于時間透鏡和色散補償的全電子技術反演方案60,66,68-71。圖 2-16(a)展示了基于時間透鏡原理的波形變換系統框圖。色散延遲線由啁啾延遲線實現，其群時延斜率分別為1和2，滿足波形時間反演條件：21/1TM。為掃頻系數，表示啁啾脈沖的頻率隨時間的變化斜率。該方案66實現了對時隙 1.5ns 的射頻信號時間反演。相較于基于時域成像的波形變換系統，色散補償波形變換系統在特定場合中無需對輸入信號進行預色散處理，系統所需的色散延遲線數量更少，實現更為簡單。在圖 2-16(b)中，一束被輸入信號幅度調制的啁

63、啾電磁脈沖經過相應的啁啾延遲線的色散補償作用后，其包絡的時域波形會被拉伸、壓縮或者反演。當21/2 時，啁啾脈沖的包絡會發生反演。21IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 2-16 基于全電子技術實現時間反演(a)時間透鏡方案66；(b)色散補償方案69在全電子技術實現方案中，產生啁啾脈沖的色散器件可由啁啾電磁禁帶結構(chirped electromagnetic bandgap structure，CEBG)來實現，并通過調節 CEBG 結構的群時延斜率來實現波形變換尺度。圖 2-16 展示了一種啁啾電磁禁帶結構71，然而該結構需要增加長度

64、來獲得更大的帶寬以及更高的群時延斜率。進一步研究探索寬頻帶、低損耗、小型化的高性能微波啁啾器件是基于全電子技術實現電磁信號時間反演的關鍵技術之一72。圖 2-17 一種啁啾電磁禁帶結構50全電子方案設計中，還應權衡系統時隙與系統帶寬之間的矛盾60。系統時隙會受到觸發脈沖脈寬與產生啁啾脈沖的 CEBG 結構的限制?？梢酝ㄟ^增加色散量來提高系統分辨率，但這會降低啁啾率，從而限制系統帶寬。盡管減少色散量可以提高系統帶寬，但又會犧牲系統時隙。因此，在系統方案設計中，必須充分考慮兩者之間的矛盾，提出合理的系統時隙帶寬乘積指標。2.3.2.3 基于瞬變介質實現電磁信號波形時間反演電磁波在介質中傳播時，遇到

65、介質特性突變的界面將會產生散射現象。特別是在介質時域不連續界面時，將產生包括時間反演在內的新奇電磁現象。電磁波在介質不連續性界面處的連續性條件是分析其散射特性的基礎。在線性介質的空域不連續性界面，切向電磁場分量連續。相位匹配條件要求入射波、反射波和傳輸波的角頻率守恒，波在界面處需時域保形。由此，反射波和傳輸波的波矢量將相應改變以滿足波的色散關系，并由相應介質的折射率所約束：22IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group/iirrttknknkn，上標,i r t分別表示入射波、反射波和傳輸波。類似地，在介質時域不連續性界面，電磁波散射的連續性條件是 D

66、 和 B 連續。在時間界面處的相位匹配條件要求波矢守恒ifbkkk。對線性介質，波在界面處需空域保形。由此，散射波角頻率將相應地改變以滿足波的色散關系，有iiffbbnnn。因此，在時域不連續性界面，入射波分裂為前向波和后向波并伴隨有相應的頻率遷移。在頻域取負頻率就相當于取復共軛，等效于時域的時間反演操作。所以，從波的時序特征來看，后向波相對于入射波發生了時間反演。在傳輸介質中實現波形反演變換的關鍵在于傳輸介質的介電系數和(或)磁導率能夠瞬變。這種瞬變的實現可以通過瞬態電路或瞬態材料來實現73。時變傳輸線作為傳輸電磁信號一種介質，其傳播常數(等效介電常數/等效磁導率)可以隨時間發生變化，因此可

67、以被用于構造時間不連續界面。電子科技大學王秉中團隊相繼提出了利用時變波導結構74、人工表面等離子體激元（SSPP）結構75進行模擬信號處理，在大于 3GHZ 載波信號上成功實現了調幅脈沖的時域反演。圖 2-18 瞬變傳輸線方案76(a)TLM 的時間界面轉換；(b)TLM；（c）空間界面反射；（d）時間界面反演；（e）開關前后 TLM 的色散曲線；（f）時間界面處光子 TR 變換實驗最近，Hady 等人在微波超材料傳輸線中成功實現了時域瞬變界面和時間反演現象76。該研究提出了一種新的超材料傳輸線(TLM)方案，通過在亞波長間距上周期性加載集總電容器陣列，并利用壓控方式同步切換容性負載來實現時間

68、不連續界面。這一創新性設計帶來了超快、超寬帶時域反演效應和寬帶高效的頻率轉換，為在超材料中利用時間作為額外自由度進行微波和光子奇異調控奠定了基礎。2.3.3 基于時間反演的亞波長天線陣系統理論與建模6G 是一張具有超高速率、超高數據密度和超低時延的泛在超寬帶綠色移動網23IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group絡，為了應對場景中的海量智能終端，系統需要在尺寸有限的平臺上實現具有多個獨立信道的多天線設計。根據傳統天線理論，為了獲得足夠的空間分集和空間復用增益，天線單元之間的距離應大于半個波長，從而導致結構上的物理體積較大。而利用電磁時間反演(TR)技術

69、減少設備空間的亞波長天線系統的概念為緊湊型終端提供了一個新的研究方向。時間反演技術利用時間反演電磁波自適應的空間、時間同步聚焦特性，可以使天線單元之間的間距即便是亞波長狀態，天線單元的信道依然是獨立的，能夠實現超分辨率聚焦。因此，亞波長天線陣時間反演系統是 6G 實現大容量通信的重要技術手段。時間反演電磁波能夠實現時間和空間同步聚焦，對于多用戶系統，相位共軛操作僅可對目標天線所接收到的信號進行相位補償，即在目標單元出現時間聚焦現象，而對非目標單元不能進行相位補償1。當各個用戶(即天線單元)之間的距離大于半波長時，只有目標單元出現時間聚焦現象。但當單元的間距遠小于半波長時，由于單元間的信道具有強

70、相關性，非目標單元也會出現和目標單元相似的時間聚焦現象。這種天線單元的間距遠小于半波長的天線陣稱為亞波長天線陣。在 TR 傳輸系統中，有幾種技術可以使接收天線在亞波長距離內獨立工作，實現超分辨率聚焦。一種是在天線的近場中放置微散射體。另一種是由 Ding 等人提出的一種基于電路的后信道方法。使用色散延遲線(DDL)或脈沖整形電路(PSC)構建后信道，并在每個接收天線中嵌入特定的 DDL 或 PSC。2.3.3.1 微結構亞波長天線陣研究人員發現在電偶極子天線周圍隨機擺放很多金屬線能夠實現時間反演電磁波的超分辨率聚焦。這是因為在各陣列元周圍隨機分布的金屬導線的幫助下，近場倏逝波中的亞波長信息轉化

71、為遠場傳播波。但是傳統設計中需要大量隨機細金屬絲輔助構成多徑，限制了終端的集成和小型化,因此用蝕刻在天線上的微圖案代替傳統設計中的微散射體的方法被廣泛使用77-79。文獻77中提出的微結構亞波長陣列時間反演實驗系統框圖和實驗結果如圖2-19 所示，可以看出目標天線所接收到的反演信號與其他天線接收到的反演信號的比值均大于或等于 2，能夠實現小至 1/20 波長的超分辨率聚焦。與金屬線陣列相比，微結構天線設計簡單，便于集成，可以減小無線終端的體積。24IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group(a)(b)圖 2-19(a)實驗系統框圖；(b)亞波長陣列的四

72、個天線接收到的 TR 信號的歸一化峰值77在此之后開展了許多相關的研究，文獻80發現微結構天線模型在點頻和包含點頻的一定帶寬范圍內均表現出超分辨率特性；文獻79發現時間反演電磁波的聚焦增益會隨著金屬線陣的半徑增大、周期減小，周期數增大而呈現總體增加準周期性振蕩的趨勢；文獻81發現使用具有微結構刻蝕的天線作為 TRM 能夠解決距離小于半波長時，天線通道獨立性減弱導致分辨率降低的問題。圖 2-20 雙天線 TRM 與雙天線亞波長陣列間文本傳輸的通信實驗。原始句子在兩個“ascii”通道上編碼，兩個對應的比特流從 TRM 發送到具有傳統平面單極子的陣列(左)或微結構平面單極子的陣列(右)82為了應對

73、 6G 時代超高數據密度，并行數據傳輸非常必要。文獻82中提出了一種互補分裂環平面單極子亞波長陣列，并且通過如圖 1-2 所示的數據傳輸實驗，證明了兩個具有超分辨率特性的天線可以進行并行數據傳輸。亞波長陣列的每個單元以 330Mbit/s 的速率接收數據，因此該陣列的全局數據速率為 660Mbit/s。通過并行傳輸，能夠提升信息容量以及全局傳輸速率，適應 6G 的需求。25IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group上述多通道系統中每個輸出端口都需要一個帶有微結構的輻射器，限制了天線的進一步小型化。文獻83提出了一種三端口共用一個輻射器的緊湊型多用戶天線

74、，并且對該天線在車內環境的性能進行了評估，仿真場景和傳輸結果如圖 2-21所示，結果表明在 TR 通信系統中，接收信號幅度與發射信號幅度的比率比普通通信系統高出 8 倍以上，將時間反演技術與所提出的天線相結合，可以顯著增強接收信號。(a)(b)圖 2-21(a)車內環境仿真模型；(b)在普通通信系統和 TR 通信系統中，五種情況的接收信號幅度與發射信號幅度之比。P1F2.5：端口 1 工作在 2.5GHz(1-4GHz)左右的頻率范圍。P2F2.5：端口 2 工作在 2.5GHz(22.7GHz)頻率范圍內。P2F3.5：端口 2 工作在 3.5GHz(3.2-3.8GHz)左右的頻率范圍。P

75、2F5.2：端口 2 工作在 5.2GHz(4.7-6GHz)左右的頻率范圍內。P3F2.5：端口 3 工作在 2.5GHz(1-4GHz)左右的頻率范圍832.3.3.2 后信道構造除了在天線近場放置微散射體外，使用色散延遲線（DDL）或脈沖整形電路（PSC）構造后信道也是目前常用的方法。這種方法效率更高，并且便于集成。如果 TRM 和接收天線 i 之間的空間信道響應為()siht，對應的后信道響應為()piht，則信道檢測過程中，接收信號()ix t與發射信號()s t之間存在關系：()()()()psiiixts ththt(2-5)i為通道檢測過程中發射檢測信號的接收天線序號。在 TR

76、 傳輸過程中，各接收天線接收到的信號為()()()()()()psspjiiijjy ts Tth Tth Tth th t(2-6)當ij時，()()ppijh Tth t和()()jissh Tth t為自相關，在目標天線i產生一個 TR 聚焦。當ij時，雖然在亞波長情況下()sjh t與()siht非常相似，但是由于設計的后信道響應()pjh t和()piht相關性很弱，所以在非目標天線處不會出現聚焦。構造色散延遲線后信道的方法由 Shuai Ding84等人在 2013 年提出。將 3 條具26IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group有不同群

77、延遲斜率的啁啾延遲線作為獨立饋線嵌入到亞波長陣列中，在開放環境和多徑環境下都實現了遠場超分辨聚焦。該方法獲得的信號峰值電壓比微結構方法的高兩倍左右，提高了陣列的輻射效率。但是高色散 CDL 的長度很長，并且由于每個饋送端口都需要一個 CDL，不容易進行系統集成。因此文獻85中提出了一種單 CDL 脈沖整形網絡，亞波長陣列中兩個天線分別連接帶有兩個輸出端口的CDL，成功地實現超分辨率的 TR 聚焦。當接收天線之間的距離為亞波長尺度時，每個接收天線與發射天線之間的信道非常相似。在此基礎上，文獻86提出了一種改進的單天線多通道系統，后信道可以采用并行和串行兩種方式，主要區別在于 TR 系統中并行的后

78、信道不同，TR系統中串行的后信道可以相同。通過實驗證明采用單接收天線和后信道，按照并行配置和串行配置都可以實現 TR 多路傳輸，圖 2-22 展示了串行配置下的實驗結果。這種方法可用于 TR 大容量通信系統，并且可以顯著降低 TR 系統的復雜性。(a)(b)圖 2-22(a)串行系統;(b)通道 1 為目標信道時的 TR 輸出信號（實驗）86除構造色散延遲線后信道外，另一種增強時間反演亞波長傳輸的技術由 S.Ding87等人在 2015 年提出。該技術基于多徑延遲原理，構造多條具有不同時延的信號通路，從而實現信道響應的量化調節。系統如圖 2-23 所示，文獻87通過在每個接收器中使用具有不同脈

79、沖響應的PSC，使得 TR 信號在亞波長天線陣中也可以獨立聚焦到接收天線陣列的每個輸出端口。并且與啁啾延遲線相比，PSC 方法提供了更大的設計靈活性和更大的可能通道數量，因此具有更高的傳輸量，在緊湊型 MIMO 中有廣泛的應用。27IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 2-23 使用 PSC 的時間反演系統87第三章 其他應用場景和用例3.1 基于時間反演的無線輸能系統5G 時代已經到來，以物聯網為基礎的智能制造和智能家居得到快速發展，展望未來的 6G 時代，必將是物-能-網融合發展的新紀元。無線傳感器作為智能工廠和智能家居的關鍵器件，不僅數量

80、眾多，而且尺寸小，通常難以配載高容量、大尺寸的電池用于長時供電。因此，在能源供給上，如何保證它們持續、長久、不間斷地工作，成為無線傳感器在智能工廠和智能家居應用中亟待解決的一個技術難題。相比有線輸能，無線電能傳輸（WPT）可徹底擺脫線纜束縛，能全天候地、便捷地、隨時隨地對電子設備進行不間斷地供能。與傳統的磁感應、磁諧振以及輻射式微波輸能技術（MPT）等無線輸能技術不同，時間反演無線輸能（TimeReversal Wireless Power Transfer，TR-WPT）不再以“擴散波”方式進行能量輸送，而是借助時間反演的空-時聚焦機制，將天線輻射出的電磁能量以“點聚焦波”方式，精準地輸送至

81、目標點，具有安全性好、輸能效率高、輸能范圍大、受能目標自定位、輸能控制靈活等突出技術優勢，非常有望從根本上解決室內無線電能傳輸所面臨的技術難題。3.1.1 時間反演無線輸能基本原理TR-WPT 的原理是利用時間反演鏡，將電磁能量以“空間輻射點聚焦波”的方式，輸送至預期的受能目標。依照 TRM 不同，可分為完美時間反演鏡（P-TRM）和離散時間反演鏡（D-TRM）兩種結構1，如圖 3-1 所示。28IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-1 P-TRM 和 D-TRM 下的 TR-WPT 示意圖883.1.1.1 基于 P-TRM 的 TR-W

82、PT 原理P-TRM 是一種部署在閉合邊界面上的收/發裝置，能時域鏡像和反向回傳輸能請求信號在閉合面上產生的空間連續界面場，如圖 7-1(a)所示。設閉合面為 S、包圍的區域為 V，則 TR-WPT 的輸能區域是包圍的整個空間區域 V。聯合并矢格林第一和第二定理，可推導出在均勻互易無耗媒質空間中由 P-TRM 產生的 TR 點聚焦場88：*,TRfocusfocusfocusjGr rG r rEr raia(3-1)上式中，r和focusr分別為觀測點和聚焦點的位置矢量，G為并矢格林函數，i為激勵點電流源的電流密度適量，a為任意常矢量。當 TR 點聚焦場的觀測點r與初始激勵點focusr（即

83、能量聚焦點）無窮接近時，TR 點聚焦場轉化為：*2*2,;,TRfocusfocusfocusfocusfocusjIGksinkIkkG Er rr rr rirrirr(3-2)上式表明，在點聚焦機制作用下 P-WPT 輻射的電磁能量全部自動聚焦于目標點；而在聚焦區外，場強幅度值,;TRfocusEr r因能量截面增大而迅速向外衰減。如果合理限定最大輸能功率，可在很大的空間范圍內滿足電磁輻射規范。3.1.1.2 基于 D-WPT 的 TR-WPT 原理P-TRM 只是一個理想模型，在實際應用中，幾乎不可能實現。一般方法是，采用天線單元，以一定的空間角度間隔，構建出一個 D-TRM 去逼近

84、P-TRM。經過對邊界面 S 上連續界面場信息（即等效面電流|sreSJr）進行mrr空間采樣，可理論推得由 D-TRM 產生的 TR 點聚焦場為：29IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group*1v*001,MTRD TRMsmmmMttsmGdvGGErr rJrrrr rr rJ(3-3)上式為 D-TRM 聚焦輸能公式，式中下標1,mL M表示第 m 個界面采樣點，smJr表示采樣面電流，“+”表示前向傳播方向，“-”表示回傳方向，“t”表示切向分量，“*”代表相位共軛。經過空間離散后，D-TRM 不再是一個 P-TRM。由于天線尺寸大小、天線

85、間距、相互耦合以及極化等因素的影響，界面場會因此產生信息缺失，進而影響 TR 聚焦場的電磁能量聚焦效果、輸能效率以及無線輸能安全性。因此，TR-WPT 系統在走向實際應用中，目前還面臨著不少的關鍵性技術難題亟待解決。3.1.2 時間反演無線輸能技術與傳統無線輸能技術與基于磁耦合的近場 WPT 不同，遠場 WPT 基于發送和接收輻射電磁波，這允許在更遠的范圍（即幾米之外）傳輸功率。對于遠場 WPT，基于陣列的波束成形（BF）通常用于將電磁能聚焦在所需位置89-94。在89-92中，提出了一種反向 BF，這是一種眾所周知的波束形成技術，通過使用反向陣列進行相位共軛來實現。在93、94中，基于同時無

86、線信息和功率傳輸應用的理論發展，考慮了使用大規模天線陣列的具有大規模多輸入多輸出（mMIMO）的自適應波束形成。然而，BF 的潛在缺點尤其出現在復雜的傳播環境中（例如。存在多個散射體和反射壁的室內環境），這可能損害由陣列產生的光束。此外，對于 mMIMO 波束成形，由于使用了大量天線，系統的配置和操作可能相當復雜?？朔?BF 這些缺點的一種方法是采用基于時間反轉（TR）的遠場 WPT87,95-99。在復雜傳播環境中應用的 TR 允許利用多徑進行空間和時間波聚焦，從而即使使用單個發射天線也能選擇性地將電磁功率集中在所需位置5,7,99-103。特別是，先前的研究表明，在復雜的傳播環境96、99

87、、103中，發送 TR 波形可以在所需位置提供更高的峰值功率（與發送窄帶信號相比）。此外，TR 被顯示為在預期接收器位置選擇性地遞送峰值功率，而 BF由于受損的波束而在功率遞送中沒有顯示出太多選擇性。文獻104對比了基于時間反演和傳統波數合成方法的能量傳輸傳輸效率，將TR 與 BF 之間的功率傳輸性能定義為峰值接收功率比（PRPR）的項來進行比較，即22maxy(t)maxy(t)TRBFPRPR(3-4)30IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group其可以直接從測量的信號中獲得并且用作 TR-WPT 相對于 BF-WPT 的相對性能度量。表格展示了在

88、強、中和弱多徑情況下使用公式(3-4)計算的 PRPR。表 3-1 不同環境下的 PRPRMultipathPRPRPRPR(dB)Weak0.916-0.38Medium7.969.01Strong24.0413.81結果表明，即使在弱多徑情況下，TR 也有著與 BF 相接近的能量傳輸性能。而在多徑效應增加的情況下，TR 的能量傳輸性能將遠遠大于 BF，這是因為，當BF 由于多路徑對波束的損害而失去在接收器處選擇性地發送波的能力時，TR 可以通過固有地利用多路徑來選擇性地將波聚焦在接收器處。此外，該實驗同樣驗證了使用 TR 接收的信號具有更高的整流直流電壓和整流效率?？傮w結果表明，在相同的平

89、均發射功率下，TR 可以以更高的整流效率優于 BF。通過優化 TR 脈沖間隔、陣列配置和發射功率，可以進一步提高基于 TR-WPT 在復雜傳播環境中的性能。3.1.3 時間反演無線輸能技術本節將以基于 D-TRM 的 TR-WPT 為基礎，以中小功率的便攜式電子設備及無線傳感器等為主要的應用對象，從自動跟蹤、選擇性供電、等功率異步輸能、信能同傳四個方面介紹現有的時間反演無線輸能技術。3.1.3.1 自動跟蹤連續波時間反演無線輸能技術通過將傳感器放置在天線陣列的小焦斑上，近場聚焦方法可以非常有效地傳輸功率105，106。由于沒有導頻或反饋信號傳輸到功率發射機，傳統的波束成形和近場聚焦方法無法自動

90、跟蹤能量耗散的傳感器。為了定位和跟蹤移動傳感器，反向指令 WPT（RD-WPT）提供了一種有效的方法90,107-110。除了 RD-WPT，TR95,96,104,111-114、反向散射115,116、接收功率估計117,118等方法也具有在沒有任何輔助定位設備的情況下自適應定位和跟蹤可移動設備的能力。其中，時間反演 WPT（TR-WPT）在復雜的散射環境（即室內環境）中通常表現出更好的定位精度119。這是因為 TR-WPT 基于 TR 技術的點聚焦機制定位器件100。在為自動跟蹤 WPT 系統（ACTR-WPT）開發的現有原型中，大多數發射器通過一個 1N 功率分配器設計了并行 RF 信

91、道拓撲。如果要改變輻射元件的數量，31IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group發射機必須重新設計一個新的功率分配器和射頻電路的新布局。此外，隨著輻射元件數量的增加，射頻傳輸線的長度也會增加，最終導致發射機體積龐大。圖 3-2 ACTR-WPT 輸能過程及自動追蹤效果120為了解決這一問題，在自動跟蹤時間反演無線輸能（ACTR-WPT）技術中 Hu等人120提出了一種新型的平面時間反轉鏡發射系統。該技術支持在 1 米至 7 米范圍內以及在-45至+45角度內任意移動的設備供電的實驗。接收到的直流功率范圍從 1mW 到 250mW。發射機采用射頻信道級聯

92、結構，取代了傳統的通過 1N 功率分配器實現的并行射頻信道拓撲結構。在新的發射機中，前一個輻射元件放大的供電信號的一小部分功率與下一個級聯元件耦合，這樣顯著減少了從電源到所有輻射元件連接的射頻電纜的總長度。在算法層面，ACTR-WPT 系統依賴于 TR方法的自定位自聚焦原理。在 ACTR-WPT 系統中，移動設備首先發送導頻信號，然后各輻射單元對接收到的導頻信號進行 TR 操作，將其 TR 信號放大后重新發送回設備。根據 TR 聚焦理論，這些 TR 信號自動跟蹤其進入路徑，找到設備的位置，并自適應地將能量聚焦在設備上，用于無線供電。當設備移動到另一個位置時，ACTR-WPT 系統將重復上述操作

93、，對設備進行重新定位輸能。自動追蹤輸能過程與自動追蹤輸能效果如圖 3-2 所示。對比圖 3-2 可以發現，在沒有 TR 自動跟蹤算法的情況下，接收機接收的直流功率不斷下降，采用 TR 自動跟蹤算法的接收機接收到的直流功率在略有下降后顯著增加，具有令人興奮的自動跟蹤功能。表 3-2 將 ACTR-WPT 系統的關鍵規范與相關技術進行了比較。與文獻109、110、115和118中具有并行結構的系統相比，基于 RF 信道級聯方案的ACTR-WPT系統的發射機具有最低的輪廓和重量以及最短的RF電纜。與文獻110中開發的發射機相比，外形減小了約 93 倍。ACTR-WPT 系統的接收器的尺寸也是32IM

94、T-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group表 II 中列出的文獻中最小的。關于自動跟蹤算法，與文獻109中的自動跟蹤系統相比，ACTR-WPT 系統具有三個優點：導頻信號能耗更低；更精確的定位；以及更高的效率。更重要的是，與文獻114中開發的 TR 系統相比，ACTR-WPT 系統可以在沒有任何儀器和金屬腔輔助的情況下獨立工作，這為 ACTR-WPT 系統的實際應用鋪平了關鍵的一步。表 3-2 多種無線輸能系統比較Ref.TransmittertopologyProfile/cmlength ofRFcable/cmauto-trackingMaximum

95、transmitRFpower/mWReceived/mWReceiver size/cm*cmDistance/mOTAefficiencyAuxiliaryinstruments109parallelN/AN/AYES435012*170.512.5%SpectrumAnalyzer110parallel28N/ANO321007.2*13.540.49%PC115parallel35N/ANO1.3312*1240.38%Oscilloscope118parallelN/AN/ANO9.5040.728*14500.0126%PCACTR-WPTcascade0.348YES11.71-

96、2506*61-73.2%NON/A:not available.3.1.3.2 小尺寸設備選擇性供電的時間反演無線輸能技術對于 WPT 來說，準確地區分和選擇性地為多個緊密間隔的設備供電是一個挑戰，但也是至關重要的問題。為此，對于小尺寸設備選擇性供電的時間反演無線輸能技術，Cheng 等人113提出了一種基于多點聚焦思想的連續波時間反演選擇性輻射無線功率傳輸(CWTR-SRWPT)方法。該方法實現了一個選擇性輻射 WPT 原型系統，可以任意選擇多個相隔在衍射極限距離上的小尺寸設備，并同時為它們供電。在 CWTR-SRWPT 方法中，對小尺寸設備選擇性供電主要是由 TRM 生成的單點聚焦場（S

97、PFF）來實現的，利用 SPFF 的方法對單個設備供電的時間反演原理與方法與上一節中描述的大致相同。如果 SPFF 的焦點位置在設備上，則選中該設備。如果設備上沒有焦點，則不會被選中。對于多設備選擇，多個 SPFF 疊加則可以生成多點聚焦場（MPFF）。該方法基于 TR 的單點和多點自適應聚焦機制，為多個耗能器件提供了自適應定位和選擇性供電的創新范式。此外，CWTR-SRWPT 還通過權值優化的方法，對疊加構成 MPFF 的各個 SPFF 進行權值優化，從而大大削弱了各個 SPFF 落在未選擇設備上造成的旁瓣影響，提高了輸能效率，如圖 3-3 所示。33IMT-2030(6G)推進組IMT-2

98、030(6G)Promotion Group圖 3-3 CWTR-SRWPT 仿真模型與選定目標輸能仿真結果1133.1.3.3 多用戶等接收功率分配的異步聚焦時間反演無線輸能技術上述的兩種 TR-WPT 技術都是采用了直接時間反演方案的 TR-WPT，雖然CWTR-SRWPT 會對各 SPFF 的權值進行優化，但在最終輸能的環節中，所采用的方法依然屬于直接時間反演法?；谥苯訒r間反演法的 TR-WPT 雖然可以達到最大的傳輸效率，但并不能保證每個用戶都有相等的接收功率。為了實現對每個用戶相同的接收功率分配和較高的傳輸效率，多用戶等接收功率分配的異步聚焦時間反演無線輸能技術中出現一種異步聚焦時

99、間反轉(AFTR)方案。與基于直接時間反演技術的 TR-WPT 不同的是，AFTR-WPT 系統使每個用戶在不同的聚焦時間獲得聚焦能量112。對于連續波 WPT，AFTR-WPT 系統通過相位優化來控制聚焦時間，既能實現等功率傳輸，又能達到最佳傳輸效率。圖 3-4為 AFTR-WPT 的實驗系統照片與等功率輸能結果圖，對 9 個接收天線進行 19 編號，并選擇其中的 3、4、7、9 號進行異步聚焦輸能，由圖 3-4 可以看出，該系統實現了對所選多用戶的等接收功率異步聚焦時間反演輸能。圖 3-4 AFTR-WPT 實驗系統照片與相位優化后的等功率分配結果11234IMT-2030(6G)推進組I

100、MT-2030(6G)Promotion Group3.1.3.4 時間反演無線信能同傳技術在時間反演無線輸能技術的基礎上，楊周明121提出了一種異步聚焦時間反演無線信能同傳（AFTR-SWIPT）技術，它利用時間反演技術的空間聚焦特性，實現室內傳感器的信息與能量共同傳輸。在該技術中，輻射的射頻信號異步地聚焦在傳感器的多個緊密間隔的接收天線上，其中一些天線用于收集射頻能量，一些天線用于接收信息。與基于波束形成的無線信能方法不同，所提方法以點聚焦場的方式在空間上分離能量和信息的傳輸。也就是說，能量信號僅集焦在選擇用于能量傳輸的天線上，信息信號僅集焦在被選擇用于信息傳輸的天線上。如圖 3-5 所示

101、，在 33 的接收天線陣中，紅色天線表示選中為能量傳輸的天線，綠色天線表示選中為信息接收的天線。33 接收天線的周圍為信號與能量的 TR 發射天線。實驗證明，AFTR-SWIPT 系統實現了基于時間反演的異步聚焦信能同傳，為未來 6G 的信能同傳技術奠定了基礎。圖 3-5 AFTR-SWIPT 實驗系統示意圖121在未來的 6G 通信時代，各種各樣的小尺寸無線傳感器將分布在人們生產、生活的各個場景、各個角落中。無線輸能、無線信能同傳為這些小傳感器的持續、高效使用提供了可能性，而基于時間反演的無線輸能技術更是為無線輸能、無線信能同傳提供了堅實的技術支撐。3.2 時間反演成像算法時間反演電磁波的最

102、主要特性為空時同步聚焦特性，而此特性和電磁成像的過程不謀而合。一般而言，成像的過程為使用接收到的電磁信號恢復出散射物體35IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group形狀等信息的過程，而時間反演電磁波恰好具有在初始源位置處聚焦的特性，因為散射體可以視為空間波激勵的等效源，所以時間反演過程和成像過程是吻合的。由于時間反演操作的簡單性，近年來越來越多地被用于微波成像逆處理過程，其可以極大地簡化成像逆處理階段的處理復雜度，從而有效地縮減算法成像所需資源消耗，為實時成像的發展提供了很大的便利?；跁r間反演的成像算法有很多種，包括迭代時間反演鏡法、時間反演自適應干

103、擾消除技術、時間反演算子分解、時間反演多信號分類法等1。迭代時間反演鏡法是在時間反演鏡方法基礎上的發展，通過多次接收、反演和再反傳目標體散射信號實現依次聚焦于不同散射體的效果，解決了時間反演鏡方法多目標混疊的缺點。除了目標探測成像，該技術在其他領域也有應用，文獻122便提出了一種利用迭代時間反演技術測量周期分層介質的相對介電常數的方法。當背景噪聲散射體產生的反射回波與目標回波量級相當時，直接時間反演鏡方法和迭代時間反演鏡法可能錯誤地聚焦到背景噪聲散射體處。為解決這一問題，美國卡耐基梅隆大學的 JMFMoura 研究小組提出了時間反演自適應干擾消除技術。該技術首先在無目標情況下，陣列發射探測脈沖

104、并接收背景雜波散射信號，然后采用時間反演迫零技術對此信號進行時間反演并加權再次發射。最后，陣列記錄目標出現時的新散射信號，將其時間反演后再次發射，此信號能有效地消除背景散射影響并在目標處聚焦。然而，上述方法均是基于時域數據處理的，其需要將時域數據全部存儲下來再進行反演發射，在數據量較大時資源消耗較多。近年來，由于時間反轉算子成像技術較其他回波傳播方法具有更靈活、分辨率更高的優點，而受到了廣泛的關注，下面對時間反演算子成像技術進行介紹。3.2.1 時間反演算子成像技術在基于時間反演算子成像技術（TRO）的特征值分解方法中，信號子空間的時間反演算子分解（DORT）方法和噪聲子空間的時間反演多信號分

105、類（TR-MUSIC）方法是兩種著名的 TRO 成像方法。DORT 方法具有許多優點，如計算速度快、在高雜波和噪聲條件下性能穩定等。然而，DORT 算法的分辨率受限于半波長的衍射極限，因此無法實現超分辨率目標成像。相比之下，TR-MUSIC 方法利用更多的數學先驗知識，在犧牲一定抗噪聲干擾能力的前提下，顯著提高了目標成像的分辨率，實現了超分辨率成像。2012 年，電子科技大學的 Liu 等在文獻123中對此進行了驗證。圖 3-6 展示了位于(0,4,0)、(,2,0)和(-,2,0)位置上的三個散射體在不同成像算法下的檢測和成像結果，顯然 TR-MUSIC 方法表現出更好的分辨率。36IMT-

106、2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-6123(a)回波模式 DORT 算法；(b)傳輸模式 DORT 算法；(c)回波模式 TR-MUSIC 算法；(d)傳輸模式 TR-MUSIC 算法時間反演矩陣的特征值分解后，其完備空間可劃分為信號子空間和噪聲子空間，TR-MUSIC 方法利用噪聲子空間與目標背景格林函數向量空間之間的正交特性可定義成像偽譜：01()jtmpabr(3-5)其中 221,2,31,2,3attiijjiiuuBrXr(3-6)221,2,31,2,3brTriipjiiBrXr(3-7)倒數使得原來在目標點位置零值的譜變成趨于

107、無限大，而非目標點處的值為相對有限值，這就將目標在區域中與非目標位置上的譜幅度區別開來，從而精確地獲得成像。得益于 TR-MUSIC 成像技術的高分辨率特性，其在需要高分辨率的探測和成像的場景中有著良好的應用前景。在文獻124中，提出了一種將 TR-MUSIC 應用于電磁地下探測的方案。該方案的模型圖如圖 3-7 所示，成像域為一個尺寸為 6 6 6的三維盒子，球形散射體位于成像盒的中心。圖 3-7 中(a)(d)展示了信噪比分別為-10db、10db、30db 和 50db 時的成像效果圖。結果顯示，TR-MUSIC 方法具有良好的魯棒性和出色的成像分辨率。因此，該方法是地下探測的有效解決方

108、案，也是高質量成像的有希望的候選方法。37IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-7124電磁地下探測模型及成像結果此外，文獻125還提出了一種光學掃描全息(OSH)系統中目標軸向位置的識別方法，該方法在應用時間反演技術的基礎上結合 MUSIC 算法，實現了高分辨率的軸向定位檢測。值得一提的是，除 TR-MUSIC 外，電子科技大學的計算電磁學團隊于 2013 年提出的 TR-ESPRIT 方法126和 2015 年提出的基于 DORT 算法和 MUSIC 算法的混合時間反演成像方法127也都在分辨率上具有不錯的表現。值得注意的是，包括 MU

109、SIC 在內的一些算法雖然能夠實現超分辨率成像，但其并沒有從物理本質上突破成像分辨率的半波長衍射極限。這些方法僅僅通過數學處理手段對成像偽譜進行銳化操作，提升了分辨率。下面將介紹一種利用時間反演技術識別環境微小變化的方法，該方法通過 TR-相位紋識別，能夠探測環境中亞波長級別的結構擾動。3.2.2 基于 TR-相位紋的亞波長擾動識別技術對于時間反演技術而言，在未加載近場散射體結構的腔體內部，時間反演聚焦斑同樣是受衍射極限限制的，但是，這并不等于時間反演電磁波無法識別腔體內部的亞波長擾動。2014 年電子科技大學 chen128等提出了一項基于 TR-相位紋的亞波長擾動識別技術，該技術利用時間反

110、演電磁波對環境變化非常敏感的特性，通過 TR-相位紋識別，可探測環境的亞波長級別結構擾動。設 TR 電磁場記錄器獲得的信號為 TREt，時間窗口函數為 W t，則 TREt的時頻分布函數TR,T FEt為：TRTRj,edT FEtEWt(3-8)TR,TFEt是幅度時頻分布，TRArg,TFEt是相位時頻分布，后者又稱為38IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion GroupTR-相位紋。通常情形下，密集多徑意味著強烈散射的體或面較多。假設 0h t是靜態環境的信道響應；0ht 是監測時使用的激勵信號；ih t是環境在發生亞波長級別的改變之后的信道響應，它是原

111、始靜態信道 0h t與第i種亞波長級別的擾動 iT t之和，即 0iih th tT t。借助于時間反演技術，可以將 0h t的能量“擠壓”到“一點”，“露出”0ihtT t。實際操作過程中，把“擠壓”到“一點”的背景能量扣除，則只剩下 0ihtT t。因此有：000000ArgArgArgArgArgiiiiF hth ththtF htT thThT(3-9)可以發現，時間反演技術使得擾動的相位被分離出來。為更為直觀，引入相位時頻分布圖TRArg,iEt，即 TR-相位紋，其中 TRj0,ediiEthhWt(3-10)該技術的實驗模型如圖 3-9 所示，實驗模型采用具有理想電壁的立方體腔

112、，第一次模擬是空腔情形，從Tr點發射帶寬為 23GHz 的脈沖，在Rr點接收到多徑響應 0h t。第二次模擬前將獲得的多徑響應做 TR 操作后得到0ht；然后將由理想導體構成的亞波長俄羅斯方塊放置到腔體正中心，并按一定的方位擺放；再從Tr點發射監測信號0ht 到腔體中；最后在Rr點記錄下接收到的信號；移動小立方體單元，則可以實現俄羅斯方塊的不同折疊狀態，在Rr點依次接收到五個不同的信號，但是每次從Tr點再發射的監測信號都是0ht。圖 3-8 中(a)(e)是計算得到的亞波長俄羅斯方塊在五種折疊狀態下的 TR-相位紋。五張 TR-相位紋之間直觀的差異集中在中間的條帶狀區域，為 2.42.6GHz

113、；這與腔體的尺寸對于頻率的選擇性有關。這些條帶區域內的差異體現在周期變化數上，而不是依賴于局部的明暗比較，因此這是一種帶有整體性質的識別，其具有天然的穩定性。該技術可以通過相位紋識別出一般作差方法難以識別的微小擾動，有望用于高靈敏度的環境檢測中去。39IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-8128TR 相位紋技術的實驗模型及結果圖3.2.3 基于時間反演場擴散消除的時間反演多目標成像技術在進行多目標成像且成像目標發射或反射的信號具有幅度和相位差別時，多個目標處的時間反演擴散場會在成像區域內進行疊加,有可能會形成偽像，也有可能將信號幅值較小的

114、目標掩蓋。特別的當使用單頻進行時間反演成像時，擴散的時間反演場將會對成像系統產生很大的影響。為解決這一問題，2016 年電子科技大學的臧銳129等，提出了一種利用 Clean算法進行單頻時間反演場擴散消除，進而實現時間反演多目標成像的技術。圖 2中(a)為多個激勵源的歸一化時間反演場分布；(b)為經過 Clean 算法后,多個激勵源的時間反演場分布。該方法實施過程如下：1)記錄所得到的成像區域內的時間反演場,創建一個各點均為0的源分布函數；2)通過逐點掃描的方式,找到成像區域內與單個激勵源的時間反演場相關性最高的位置,將相關系數 a 的 m 倍加到源分布函數在該點的值,為了算法的穩定,m 取小

115、于 1 的數值；3)在成像區域內的總場的相應位置中減去 ma 倍的單激勵源時間反演場；4)重復步驟 2 和步驟 3,直到成像區域內的各處的場均低于事先設定的閾值；5)使用一個無擴散的理想場分布和所得到的近似的源分布函數進行卷積,利用新得到的場值進行成像判定。圖 3-9(a)中展示了未經過 clean 算法處理后的成像結果，(b)中展示了經 clean算法處理后的成像結果。顯然，在經過 clean 算法處理后，時間反演場擴散的影 響大大減小了。40IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-9129(a)多個激勵源的歸一化時間反演場分布；(b)為經

116、過 Clean 算法后,多個激勵源的時間反演場分布3.3 結合時間反演技術的亞波長成像與探測在電磁成像中，衍射極限的存在嚴重限制了成像分辨率，使成像系統難以獲得目標物體的細微結構。這是因為從散射波的空間譜分布來看，通常攜帶目標體細微結構信息的散射波分量是凋落波分量，該分量沿縱向呈指數衰減分布，因而無法沿著縱向傳播至遠場區域，其攜帶信息難以被遠區的成像系統獲取1。時間反演電磁波在近場小散射體陣列加載的情況下具有超分辨率聚焦特性，這為結合時間反演技術而突破衍射極限的超分辨率成像提供了機遇。通信感知一體化(Integrated Sensing And Communications,ISAC)被認為是

117、第六代移動通信(6G)的重要候選技術之一，ISAC 系統需要在復雜的環境中實時處理大量的通信和感知數據。時間反演技術能夠很好地適用于復雜環境中，因而有望在 ISAC 技術中得到應用。時間反演場的嚴格解析解可以通過時間反演腔理論進行求解，但前提是己知正向場對應的格林函數。金屬小球作為結構最簡單的散射體，文獻130通過將金屬小球的散射場等效為電磁偶極子輻射場的疊加，提出了一種時間反演場的快速求解方法。此外，文獻131中指出，在原始源附近設置輔助源可以進一步提高時間反演電磁波的聚焦性能。為了解決遠場超分辨率成像問題，一類方法是給凋落波提供傳輸渠道，促使其可以傳輸到遠場進行成像，而不在真空中快速衰減；

118、另一類方法是進行模式轉換，即將凋落波轉換為傳輸波，再根據凋落波的轉化規律，反推出目標的信息從而實現成像。對于第一類方法，可以借助一種規則排列的二維金屬絲陣列作為金屬透鏡結構實現132，Bloch 模式的存在使金屬透鏡能夠將倏逝波轉換為傳播波。但其體積大，結構特點復雜，難以在實際生產中應用。之后，人們提出了磁性金屬透鏡工作，但在實際應用中很少有磁性耦合的情況133-135。對于第二類方法，通41IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group常的做法是在成像目標近區加載微結構陣列，例如，光柵結構、諧振平面等，將凋落波調制轉化為能夠傳輸至遠場的傳播波，實現超分辨

119、率成像。本節將結合時間反演技術，介紹第二類超分辨率成像方法。3.3.1 微結構陣列輔助的目標超分辨率成像3.3.1.1 點源目標成像光柵結構可以使入射電磁波中的凋落波分量與沿金屬介質分界面傳播的表面波進行相互耦合，并對其波數進行整數倍光柵波數的調制，使凋落波分量轉化為傳播波。然后對遠場的傳播波進行成像處理，可以設法實現突破瑞利極限的超分辨率成像。值得一提的是，通過遠場時間反演處理得到的凋落波與原凋落波并不相同?？梢酝ㄟ^光柵在近場進行一維運動，多次改變成像平面與周期光柵之間的距離，來計算出原始的空間光譜分量136。對于緊湊的諧振平面結構，以傳統周期金屬絲陣列為例，金屬絲中的波傳播問題可以近似等效

120、為對 Bloch 波的求解，橫向 Bloch 波數對應著亞波長結構的細節信息。當有限長金屬絲陣列呈亞波長間距排列時，會呈現出強耦合諧振器的特性，每根金屬絲會產生沿傳播方向極化的偶極子輻射。這樣疊加后的輻射場就將包含空間亞波長特征的頻率信息傳播到了遠場。在本節中，以光柵結構為例，介紹微結構陣列輔助下的點源目標成像方法137。實際用于輔助點源成像的光柵結構和實驗系統如圖 1-1 所示，兩個沿 x 軸分開12mm 的近場偶極子源 T1 和 T2 擺放在結構上方 1mm 處，兩個源天線被當作兩個待成像的目標。圖 3-10 實驗系統和成像結果示意圖136實驗過程可簡單分為兩個階段：第一階段是輻射信號接收

121、階段：采用一個中心頻率為 5.5GHz(38GHz)的調42IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group制高斯信號同時激勵兩個源偶極子，用時間反演鏡(time reversal mirror，TRM)單元記錄接收信號；第二階段是反演成像階段：去掉兩個初始偶極子源，將 TRM 單元的接收信號進行時間上的反演，然后饋入原 TRM 單元發射，對反傳過程進行電磁仿真；通過記錄聚焦時刻在成像平面上的電場分布即可得到成像結果。如圖 3-10 所示，基于仿真數據的成像結果中，兩個源的位置清晰可辨。如果不借助光柵結構，則無法分辨兩個源目標。文獻138對傳統的二維金屬絲陣

122、列進行了平面化設計，并通過調整每個線諧振器的長度來拓寬工作頻率范圍，由此提出了一種一維平面微結構陣列，在此稱為陣列 1。陣列 1 的物理尺寸模型如圖 3-11(a)所示。進一步地，將陣列 1 中的線諧振器進行彎折來減小整個陣列的尺寸，得到陣列 2。陣列2的物理尺寸模型如圖3-11(b)所示。下面考慮利用這兩種陣列進行輔助源成像。圖 3-11 平面微結構陣列單元模型(a)陣列 1 單元；(b)陣列 2 單元實驗證明，兩種陣列都能有效地將近場凋落波進行模式轉換并傳播到了遠場。在此基礎上，結合時間反演技術，通過對亞波長間距點源的成像實驗，驗證了陣列 1 和陣列 2 分別獲得了/10和/20的遠場超分

123、辨率成像效果。并且，陣列 2 還在陣列 1 的基礎上進一步拓展了工作帶寬。雖然光柵結構可以實現超分辨率成像效果，但只能夠應用于小球散射體等點源結構的成像139，對于非點源結構效果較差，接下來介紹緊湊平面諧振結構輔助實現拓展散射體目標超分辨率成像的方法。3.3.1.2 拓展散射體目標成像3.3.1.1 節介紹的工作是針對于點源的聚焦與成像，然而在實際應用中需要成像的更多的是目標散射體。散射體目標成像的思路是將散射體當作二次輻射源，通過確定二次源的位置和分布來實現散射體目標成像。采用如圖 3-12(d)的周期排列分布亞波長方螺旋諧振器單元（Square SpiralResonator,SSR）來設

124、計二維緊湊平面諧振結構（PERS）。該結構的陣列共由 20*2043IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group個單元組成，結構的物理模型如圖 3-12(a)所示。PERS 制作在相對介電常數為2.65、厚度為 1mm 的襯底頂部，成像目標是“L”形結構的散射體，兩個半徑為 3mm 的鐵質圓柱體用作 L 形成像目標，位于 PERS 上方 1mm 處。在 PERS 和圓柱體之間放置了幾塊透明膠帶，以避免直接接觸。實驗原理圖和測量裝置如圖3-12（b）和（c）所示。十個 Vivaldi 的天線被用作距離 PERS 為5的發射器和接收器，它們位于同一水平面上。

125、發射機與功率放大器和矢量網絡分析儀（VNA）相連，接收機與 VNA 直接相連。測量的頻帶是從 1GHz 到 1.7GHz。通過移動接收天線和發射天線的位置，實驗測量和計算得到格林函數和散射矩陣，然后結合TR-MUSIC 算法對散射目標進行超分辨率成像驗證。結果表明，拓展散射體目標成像的分辨率達到了/7，實現了超分辨率成像，成像結果如圖 3-12(e)所示。(d)(e)(f)44IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group圖 3-12 二維緊湊平面諧振結構輔助成像(a)結構示意圖（實物）；(b)實驗裝置；(c)實驗環境；(d)單元結構；(e)結構示意圖；(

126、f)實驗結果盡管二維緊湊平面諧振結構的所有諧振單元尺寸一樣，但因為諧振器之間的耦合，會產生 N 個不同頻率的諧振模式。由于很難將每一個模式都激勵起來，這導致諧振單元的利用率就相對較低。針對這個問題，還設計了一種多頻點的平面諧振結構來實現遠場超分辨率成像140。此外，基于 SRR 單元，將兩個 SRR 單元呈特定角度上下擺放，形成一種立體的結構單元。然后將單元拓展，得到立體緊湊平面諧振結構141。較于二維的結構，這種立體結構表現出了更好的空間超分辨率特性，并大幅提升了工作帶寬。本節中介紹的幾種緊湊平面諧振結構通常都具備設計簡單、低剖面、尺寸緊湊和便于集成等特點。3.3.1.3 其他微結構陣列本小

127、節簡要介紹幾種基于電磁超材料輔助的超分辨率成像方法。文獻142利用時間反演技術，設計了一種實現遠場亞波長聚焦的諧振環超材料片。這種裂環超材料薄片可以有效地降低亞波長陣列元件之間的信道響應相關性，從而實現超分辨率成像。這種基于諧振環的超材料薄片易于制造，可用于高分辨率成像和MIMO 通信系統。文獻135提出了一種利用近場可開關諧振環超材料在微波頻率實現遠場亞波長成像的方法。這種超材料可以利用局域諧振模式將凋落波轉換為傳播波。成像過程只需要分析一個較窄的頻帶，而不需要測量和計算空間響應和格林函數，因此該方法操作方便，容易適應各種復雜環境。文獻143設計了一種孔隙金屬單元組成的平面超材料，這種結構利

128、用人工表面等離子體激元的優勢，使得凋落波在亞波長區域內得到增強和聚焦。文獻144將亞波長金屬帶線單元構成的金屬透鏡與時間反演技術相結合，在微波頻段將凋落波轉換為傳播波，實現多目標的亞波長間距聚焦。3.3.2 時間反演技術結合色散延遲線的目標探測方法文獻145在時間反演技術的基礎上，提出了一種在 TRM 各單元上添加色散延遲線（DDLs）來探測復雜環境中低介電對比度目標的新方法。下面通過實驗具體介紹這種方法的實現過程。首先，當目標散射體不存在時，在實驗區域中隨機布置散射體以模擬復雜環境。天線 1 是發射天線，將中心頻率為 10GHz（0-20GHz）的調制高斯脈沖作為測試信號發出，添加 DDLs

129、 的天線 3-13 作為 TRMs 接收信號。接著將 TRM-5 接收到的信號做時間反演，并作為發射信號由天線 1 再次發出。此時，TRM-5 接收到具45IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group有一定幅度大小的信號，而其他天線幾乎沒有收到信號，這表明成功消除了背景散射體的影響。然后，在實驗區域中加入與其他散射體介電常數相同的目標散射體，分別用添加和未添加 DDLs 的 TRMs 將接收到的信號做時間反演后由自身發出，并監測實驗區域中的能量分布。測量結果如圖 3-13 所示，兩種情況下，TR 波都能在目標位置聚焦。但添加 DDLs 時，目標位置的聚焦

130、強度為未添加時的 6 倍?？梢?，該方法通過減少環境中其他散射體的影響，提高了傳統 TR 系統在復雜環境中的目標識別能力和抗噪性能。圖 3-13 空間聚焦結果(a)添加 DDLs；(b)未添加 DDLs145此外，與傳統的探測方法相比，該方法的優勢在于不需要預估目標體的位置，也不需要進行復雜的數字信號處理和計算。在文獻146中指出，將時間反演技術和DDL 結合的方法能夠應用于腫瘤位置的準確探測。第四章 技術成熟度、產業發展現狀和研究動態面對第六代(6G)無線通信和未來衛星互聯網的應用需求，現代無線系統正在向寬帶、大功率、大容量、高通信速率的多載波系統發展。無源互調(PIM)在這種大發射功率和多載

131、波信號的無線系統中已經成為越來越棘手的問題。PIM 一般分為傳導無源互調(C-PIM)和輻射無源互調(R-PIM)。C-PIM 通常存在于無源器件和射頻(RF)組件中，包括雙工器、同軸連接器和波導法蘭盤。C-PIM 干擾信號在連接處產生，并沿波導射頻鏈向前和向后傳播。R-PIM 由附近的天線和散射體等輻射結構輻射。R-PIM 位置被輻射結構激發并輻射到介質中，可視為二次輻射源，稱為輻射無源互調源(R-PIMS)。由于無線系統中復雜的組件和結構，實現 R-PIMS 的精確和高分辨率定位一直是一個艱巨而具有挑戰性的問題。為了精確定位多個緊密間隔的輻射無源互調源(R-PIMS)，2023 年，文獻1

132、47提出了一種時間反演算子級聯分解(C-DORT)成像方法。C-DORT 通過對每個采樣頻率的偽頻譜進行歸一化和相乘，構建新的頻譜計算。級聯過程將偽譜聚焦在46IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion GroupR-PIMS 位置，形成一個高亮度的譜峰，并將剩余的偽譜抑制到接近零，有助于區分間隔較近的 R-PIMS。通過數值仿真分析了定位分辨率、偽譜寬、定位精度和成像魯棒性等方面的定位性能。與傳統的時間反演算子中心頻率分解(CF-DORT)和時間反演算子時域分解(TD-DORT)方法相比，C-DORT 方法能夠有效地分辨出在衍射極限距離(1/2 波長間隔)處的多

133、個 R-PIMS。此外，在 C-DORT 中，交叉距離偽譜半最大值寬度(CRPS-FWHM)被乘法抑制到 1/4 波長的寬度，以提高交叉距離分辨率。此外，在 0 dB 到 10 dB 的信噪比范圍內，通過提供近似為零的定位均方根估計(RMSE)來獲得精確定位。結果表明，該方法提高了 R-PIMS 的定位精度和定位分辨率。5G 網絡寬帶無線通信的應用場景大多位于復雜環境下，而具有時變多徑傳播特性的復雜環境將嚴重影響通信性能?？朔@一問題的核心技術之一是在無線鏈路中引入環境自適應技術時間反演。此外，竊聽通道在物理層安全研究中的問題也成為近年來研究的熱點。2018 年，為了解決無線信道中的物理層竊聽

134、信道和多徑衰落問題，文獻148提出了一種將時間反演技術與物理層安全技術相結合的新概念。針對無線多徑信道，提出了一種基于聯合時間反演技術和發送端人為噪聲的物理層安全傳輸方案。首先，在典型的竊聽信道模型中，利用時間反演技術的時空聚焦特性，提高了信息傳輸過程的安全性；其次，由于信息在焦點附近容易被竊聽，因此在發送端添加人為噪聲，以破壞竊聽者的竊聽能力。最后，由于多徑信道的復雜性，考慮了天線對系統安全性能的影響。理論分析和仿真結果表明，與現有的物理層安全方案相比，該文獻提出的方案具有更高的保密信噪比、更高的保密率和更低的誤碼率。時間反演(TR)技術通過自適應匹配傳播信道，達到時空聚焦效果，有效地利用多

135、徑信號提高雷達探測性能。但是，在雜波和多徑信號共存的情況下，雜波會降低時間反演技術在多徑利用率上的性能。2023 年，在時變雜波和多徑信號混合環境下，文獻149提出了一種基于時間反演技術和注水(WF)算法的多基地雷達探測算法。為了減少雜波對多徑信號的影響，在傳統的 TR 過程中引入了根據雜波功率分配 TR 傳輸信號能量的 WF 算法。為此，提出了一種 TR-WF 似然比(TR-WF-LRT)檢測器，利用多徑信號提高檢測概率。此外，他們還使用了其他幾種檢測器，無論是否使用 WF 算法或雜波，以與所提出的檢測器在相同條件下進行比較。理論分析和蒙特卡羅仿真結果表明，在時變雜波和多徑信號混合環境下，T

136、R-WF-LRT檢波器的性能優于其他檢波器。為了實現可靠的數據傳輸，大多數傳統的航天器內通信系統通常利用屏蔽電纜進行有線通信。屏蔽電纜帶來的一個問題是它們的重量，因為這會極大地減少47IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group航天器的有效載荷。與有線通信相比，無線通信完全消除了笨重的屏蔽電纜，已成為航天器通信技術的發展方向之一。2022 年，文獻44提出了一種用于航天器內無線傳輸的點聚焦(PF)無線通信方案。在該方案中，利用基于時間反演(TR)的場賦形方法產生的一組點聚焦場(PFFs)來承載二進制位?；?PFFs 非重疊焦點的正交性，同一頻譜可以在空

137、間上重復使用。PFFs 之間的點對點間距為半個波長，即在瑞利衍射極限處的距離，可以在有限的空間內最大限度地提高光譜再利用效率。時間反演(TR)波可以自適應聚焦到散斑，無需傳輸矩陣測量。因此，利用時間反演技術在空間域和時間域對電磁波進行控制，可以構建一些新型系統，如超分辨率系統、大容量傳輸系統和隱身成像系統。2019 年，文獻50提出了一種結合時間反演技術和缺陷諧振超表面的亞波長場賦形方法。在單目標和多目標場賦形系統中都可以有效地實現亞波長二維和三維場圖形。在有缺陷的超表面輔助的單目標和多目標場賦形系統中，分辨率約為0.1，這與應用的超表面單元的尺寸相對應。所提出的技術可用于無線電力傳輸、工業加

138、熱和局部無線通信。均勻微波場(UMF)在微波工業和電磁測量中的應用越來越廣泛。2021 年，文獻49提出了一種基于傅里葉變換(FT)和時間反演(TR)技術的分析方法來合成UMF。利用傅里葉變換分析了反射鏡天線單元的激勵幅值。利用 TR 對其激勵相位進行補償，使從 TRM 天線發射的所有 TR 信號無相位差地到達目標區域。TRM是由每個天線單元組成的具有 TR 處理能力的天線陣列，是為 UMF 的產生而設計的。由于該方法具有解析性，為實現 UMF 提供了一種新的有效途徑。全波仿真驗證了該方法的有效性和準確性。研究了可能影響 UMF 的 3dB 場寬、相位偏差和幅值波動的一些關鍵因素。第五章 總結

139、及發展趨勢到 2027 年左右，隨著數字信號處理技術和自適應控制技術的發展，復雜環境時間反演電磁聚焦技術將呈現以下發展趨勢：1.自適應控制。復雜環境有可能是時變的，這就導致我們需要能夠利用反饋信息和實時調整來適應復雜環境的變化。具體而言，自適應控制包括自適應波束賦形和自適應參數調整，以最大程度地提高聚焦效果和信號質量。2.實時性提高。隨著數字信號處理技術的發展，時間反演系統的計算能力和處理速度會有較大的提升，未來的發展趨勢將更加注重系統的實時響應。這意味著時間反演聚焦技術將能夠在復雜環境中進行快速的信號處理和聚焦操作，適應動態變化的復雜環境。48IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(

140、6G)Promotion Group到了 2035 年左右，隨著計算機技術的發展，以及人工智能的有機結合，復雜環境時間反演電磁聚焦技術將呈現如下的新的發展趨勢：1.更高效、準確的自適應控制和優化。人工智能可以應用于時間反演電磁聚焦技術中的自適應控制和參數優化過程。通過使用強化學習、進化算法和優化算法，可以實現自動調整和優化時間反演聚焦系統的參數和策略，以適應不同的復雜環境和應用需求。這樣可以提高系統的自適應性和性能，使其能夠更好地適應實際場景。2.數據驅動的建模和預測。人工智能可以用于時間反演電磁聚焦技術中的建模和預測任務。通過訓練機器學習模型，可以建立復雜環境下電磁波傳播和散射行為的模型，并

141、預測目標的反射特性和傳播路徑。這為優化時間反演聚焦的參數選擇和目標定位提供了更準確的依據。時間反演鏡的排布方式和結構設計可以直接影響到反演和聚焦效果的性能和質量。在 2027 年左右，隨著物聯網技術的發展，電磁時間反演技術的應用環境變得更加復雜，需要處理海量的、不同波形、不同頻率的信號，這時時間反演鏡排布技術將呈現如下發展趨勢：1.具有處理信號異構情形的能力。雖然排布技術和信號異構是兩個相對獨立的概念，但是也具有有機的關聯。通過合適的排布技術，例如調整時間反演鏡的結構和參數，實現對不同頻率的信號的聚焦。2.自適應排布。未來的時間反演鏡排布技術將更加注重自適應和智能化的特性，通過實時反饋以及優化

142、算法來實現時間反演鏡的最佳排布，從而更好地適應復雜的環境變化，提供更精確和高效的聚焦效果。到了 2035 年左右，隨著人工智能技術的發展，以及不同學科之間的深度融合交叉，時間反演鏡的排布技術將呈現如下新的發展趨勢：1.更加智能化的自適應排布。人工智能算法可以在復雜的參數空間中進行搜索，快速找到最優的排布參數組合，提高聚焦效果和性能。此外，通過人工智能的自適應控制，時間反演鏡可以根據實時的信號和環境變化進行參數調整，實現更好的適應性和靈活性。2.不同學科之間的交叉融合借鑒。比如說，時間反演鏡的排布技術可以借鑒光學中的光柵、透鏡、光學波導等器件的原理，從而在原理上尋求突破，實現更加優異的聚焦效果。

143、到 2027 年左右，隨著信號處理器件的發展，時間反演時域聚焦技術將呈現如下發展趨勢：49IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group1.高速數據傳輸。時間反演時域聚焦技術將向著提高傳輸速率、提升信號質量和增加傳輸容量等目標發展。2.毫米波和太赫茲通信。毫米波和太赫茲通信是實現高速、大容量寬帶通信的關鍵技術。時間反演時域聚焦技術在毫米波和太赫茲頻段的通信中具有潛力。未來的發展趨勢將集中來利用時間反演時域聚焦技術解決毫米波和太赫茲通信中的信號衰減、多徑傳播和干擾等問題，以實現更穩定、可靠的通信。到了 2035 年，此時的通信系統將更加傾向于混合通信，即結合

144、了不同的通信技術和通信頻段。時間反演時域聚焦技術可以與其他通信技術，比如光通信、太赫茲通信等進行有機結合，并且實現多模態通信系統的無縫切換和優化，從而實現更高效、靈活的通信方案。50IMT-2030(6G)推進組IMT-2030(6G)Promotion Group參考文獻1王秉中,王仼.時間反演電磁學 M.時間反演電磁學,2019.2BACOT V,LABOUSSE M,EDDI A,et al.Time reversal and holography with spacetimetransformations J.Nature Physics,2016,12(10):972-7.3GABO

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