【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波全息超表面成像领域，尤其涉及一种双极化微波成像超表面设计方法，可用于无线通信，生物医学，雷达探测等领域。
技术介绍
1、随着微波技术的飞速发展，全息技术已广泛用于通信、医学成像、遥感成像等应用中。目前最前沿研究是超表面全息法，其只需通过计算机就可实现对目标的重建。与基于空间光调制器的传统全息技术相比，超表面全息不仅体现了超表面的紧凑性、高成像效率，而且还克服了传统全息术带宽窄、孪生像、庞大的重量、高成本等问题。在微波超表面全息技术中，研究发展方向更多是多路复用，包括极化复用、角度复用、频率复用和轨道角动量复用等。在目前的频率复用研究方向中主要是对单元的结构设计以实现共口径频率复用，而未对由不同频率引起的色散效应进行补偿，进而在一定的带宽范围内未消除色差带来的影响。因此研究宽带消色差微波成像具有重要意义，可进一步扩宽微波全息成像的应用范围。
2、宽带消色差最早出现在消色差透镜和相位梯度偏折中，主要分为以下几个方法：第一，通过优化算法优化相位来实现宽带衍射受限的消色差聚焦超表面；第二，通过传输相位、几何相位和传输相位的联合调控实现消色差偏转器、消色差聚焦功能器件。目前微波成像超表面中宽带消色差只是基于单元本身具有宽频带特性。
3、申请号为202111043831.3的专利文献公开了一种“多阶衍射透镜的消色差方法及消色差多阶衍射透镜”，其通过全局优化算法和搜索算法计算经过多阶衍射透镜后在焦点的光场强度的约束优化问题，然后进行平滑处理和梯度下降处理，并将传统的消色差系统压缩为一个平面透镜得到消色
4、赵玺竣的硕士学位论文中公开了一种名称为“基于计算成像的衍射成像技术”，其通过引入计算成像方法，将光学设计与图像算法进行联合设计，实现了单片衍射元件在415nm-685nm的可见光波段下的清晰成像。在光学设计上，构建了点扩散函数模型，通过引入粒子群优化编码相位使衍射元件的光谱保持一致，从而实现消色差衍射透镜成像。但该衍射成像技术所设计的消色差成像透镜只能用于光波频段，其消色差成像优化算法也只涉及相位特性未考虑幅度特性，且光学装置系统体积大、成本高。
5、laser physics letters出版的文献broadband achromatic electromagneticbeam control based on reflective metamaterial，其通过改变超表面单元的几何参数以满足超表面的相位和色散要求，经过优化结构设计，并通过相位梯度偏折和聚焦相位原理，在1.8-2.3thz的范围内实现消色差偏转器和消色差聚焦超表面。该论文的不足之处在于频率引起的色散效应只限于单元结构，且只能实现单一聚焦和偏折的消色差功能。
6、综上，现有的这些电磁超表面由于只能实现单一聚焦和偏折的功能、且只限于单元结构，因而不能消除微波频段的宽带消色差，无法实现高性能全息成像。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种具有宽带消色差特性的双极化微波成像超表面设计方法，以解决现有技术只能实现单一宽带消色差的聚焦和偏折功能，及只限于单元结构消除色差，不能在更宽频带上实现高性能全息成像的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术具有宽带消色差特性的双极化微波成像超表面设计方法，包括如下：
3、通过瑞利索末菲算法结合不同波长反复迭代叠加生成具有幅相分布的宽带消色差全息图；
4、将全息图的幅度相位分布映射转化为宽带工作的幅相调控超表面阵列；
5、结合x和y两种线极化波激励对幅相调控超表面阵列分区域进行布局，得到双极化的宽带消色差成像超表面。
6、进一步，所述通过瑞利索末菲算法结合不同波长反复迭代叠加生成具有幅相分布的全息图，实现步骤包括如下：
7、2a)将目标图像与随机相位结合构成初始成像面的电场，并通过各个波长下的瑞利索末菲衍射得到不同波长下的初始全息面电场；
8、2b)将不同波长下的初始全息面电场进行归一化相加，得到初始全息面的电场，并将其代入各个波长下的瑞利索末菲逆衍射算法；
9、2c)利用瑞利索末菲逆衍射算法计算全息面的电场，得到各个波长下的成像面电场；
10、2d)提取各个波长下成像面电场的相位分布，并结合目标图像的幅度分布组成各个波长下新的成像面电场；
11、2e)将新的各个波长下新的成像面电场代入对应各个波长下的瑞利索末菲衍射算法，计算得到各个波长下全息面电场，再将其进行归一化叠加得到当前的全息面电场；
12、2f)重复步骤2c)-2e)直到达到预设的迭代次数得到最终的全息面电场，根据其幅度、相位分布，得到具有宽带消色差的幅度、相位全息图。
13、进一步：所述将全息图的幅度相位分布映射转化为宽带工作的幅相调控超表面阵列，实现步骤包括如下：
14、3a)设计包括三层金属和两层介质的高效透射超表面单元，其中：
15、所述三层金属，其上下两层金属由金属条与空隙条以比例2：3组成，且上下两层金属相互垂直；其中间层金属是特定设计的极化转换金属片；
16、所述两层介质均由介电常数为2.65，损耗角为0.003的材料构成，且厚度均为波长的十五分之一；
17、3b)设置单元极化转换金属片的开口角和旋转角，对高效透射超表面单元的幅度和相位分别进行调控，使超表面单元在频段8-12ghz内交叉极化透射幅度大于等于0.8，交叉极化透射相位保持平行；
18、3c)将全息图的幅度相位分布与单元极化转换金属片的旋转角和开口角参数一一对应，获得具有宽带幅相调控的超表面阵列。
19、本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
20、第一，本专利技术通过瑞利索末菲算法结合不同波长反复迭代叠加生成具有幅相分布的宽带消色差全息图，实现了任意微波频段的宽带消色差成像功能；
21、第二，本专利技术由于将全息图的幅度相位分布映射转化为宽带工作的幅相调控超表面阵列，可通过调整其单元极化转换金属片的开口角和旋转角，使幅度和相位调控范围增大，提高透射交叉极化的效率；
22、第三，本专利技术结合x和y两种线极化波激励对幅相调控超表面阵列分区域进行布局，不仅实现了x和y双线极化成像功能，而且在相对带宽40％的频段内，实现了平均成像效率为62％的高性能宽带消色差成像。
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1.一种具有宽带消色差特性的双极化微波成像超表面设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过瑞利索末菲算法结合不同波长反复迭代叠加生成具有幅相分布的全息图，实现步骤包括如下：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将全息图的幅度相位分布映射转化为宽带工作的幅相调控超表面阵列，实现步骤包括如下：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结合X和Y两种线极化波激励对幅相调控超表面阵列分区域进行布局，是将N×N个超表面单元组成的X极化超表面阵列和Y极化超表面阵列，分别排列在双极化超表面阵列的左半区域和右半区域。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述2c)中利用瑞利索末菲逆衍射算法计算全息面电场，得到各个波长下的成像面电场，公式如下：
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述2e)中通过瑞利索末菲衍射算法，计算成像面电场，得到各个波长下全息面电场，公式如下：
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述3a)中所述的特定设计的极化转换金属片，由工字型圆环和圆
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述3c)中将全息图的幅度相位分布与单元极化转换金属片的开口角和旋转角参数一一对应，获得具有宽带幅相调控的超表面阵列，实现如下：
...【技术特征摘要】
1.一种具有宽带消色差特性的双极化微波成像超表面设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过瑞利索末菲算法结合不同波长反复迭代叠加生成具有幅相分布的全息图，实现步骤包括如下：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将全息图的幅度相位分布映射转化为宽带工作的幅相调控超表面阵列，实现步骤包括如下：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结合x和y两种线极化波激励对幅相调控超表面阵列分区域进行布局，是将n×n个超表面单元组成的x极化超表面阵列和y极化超表面阵列，分别排列在双极化超表面阵列的左半区域和右半区域。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱诚，孟双双，崔镇，刘咸犇，郝文渊，胡明镔，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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