一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法

1.本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法。


背景技术：

2.如今第五代移动通信技术的全面商用以及第六代移动通信技术的快速发展，促进了数据、语音、视频等通信服务需求的大幅度增长，为物联网技术的蓬勃发展提供了新动力。截至2020年底，物联网设备的连接量首次超过非iot设备，达到128.9亿台，预计至2025年，将会有超过411.9亿台iot设备的连接量。与此同时，iot技术的关键又在于各类智能传感器的数据交换与交互，因此，如何实现海量传感器高效、稳健而又均匀的输能，是决定iot技术未来发展状况的重要环节。传统的有线输能方式依赖于电缆进行电能输送，不利于传感器的自由排布，限制了iot设备的使用范围，同时，大量电缆也会导致空间资源浪费。若采用电池供电，不仅会产生高昂的更换成本，而且繁琐的更换步骤在嵌入式传感器以及植入式医疗设备等应用中是极不便利的。无线能量传输(wpt)技术的出现，恰好提供了上述问题的解决方案。wpt通过不接触的方式提供持续稳定的电能，避免了有线输能以及电池供电存在的弊端，具有便捷、经济、高效、环保等特点，在物联网、交通运输、医疗器械、军事国防等领域得到广泛的应用。因此，wpt被视为输能领域的未来，在科学界得到广泛的关注。
3.常见的wpt技术按照工作原理可以分为三类：电磁感应(icpt)、电磁共振(mrc)和微波输能(mpt)。其中，icpt和mrc均采用体积较大的低频线圈，难以与微小传感器集成设计，而且两种技术仅能对近场区输能，显然无法适用于大规模传感器的中远距离供能。相较于其它wpt方式，mpt的输能距离更远、范围更大。然而，用于mpt的天线需要高的天线方向性系数、高的功率容量以及高的辐射效率，这使得单一天线往往无法满足mpt的需求。若是采用相控阵天线，虽然可以实现定向输能，但是却存在着系统复杂、输能效率和精度低的问题。
4.基于此，本技术特提出一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法，其能够解决现有tr-wpt技术中的输能效率和精度低且系统复杂的问题。
6.本发明的技术方案为：本技术提供一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法，其包括以下步骤：s1、确定输能空间中待输能目标所在位置，并根据待输能目标的所在位置确定全部trm阵元的具体位置；s2、将输能空间进行网格划分，并在每个网格中依次放置源天线以通过源天线阵
列发送激励信号到trm阵元进行记录；s3、通过输能目标所在位置确定输能目标在空间中对应的网格，基于该网格提取trm阵元中相应的信道信息，并将提取的输能目标信道信息依次进行tr处理和信道补偿处理；s4、将依次进行tr处理和信道补偿处理后的信号进行叠加并同步馈入对应的等空间角大孔径trm阵元中以得到对应的空间辐射场；s5、基于空间辐射场进行观测计算以得到空间中的平面场强分布以及输能结果。
7.进一步地，步骤s1中上述确定全部trm阵元的具体位置的方法采用等空间角大孔径阵排布方法。
8.进一步地，步骤s3中上述tr处理的方法包括：将提取的输能目标信道信息进行时域tr或者频域相位共轭，然后由trm阵元重新向输能空间发射tr信号使其沿原路径自适应聚焦于目标位置。
9.进一步地，步骤s3中上述信道补偿处理的方法包括：计算第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数；其中，n表示源天线编号，m表示trm编号；基于上述信道补偿系数计算得到第n个待输能位置处的信号。
10.进一步地，上述计算第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数的公式为：，其中，表示第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数，a表示期望增益值，表示trm中第m个单元的位置，表示待输能目标n的位置，t表示时间，表示电磁波从rn传递到rm的传递函数，表示电磁波从rm传递到rn的传递函数，表示卷积运算。
11.进一步地，上述计算得到第n个待输能位置处的信号的公式如下：，，，，其中，表示信道补偿后第n个待输能位置处的信号，表示第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数，a表示期望增益值，x表示激励信号，m表示trm数量，n表示待输能目标数量，表示trm的第m个单元位置，、表示待输能目标n1、n的位
置，t表示截取的时间窗，t表示时间，表示电磁波从rn传递到rm的传递函数，表示电磁波从rm传递到rn的传递函数，表示卷积运算，表示电磁波从r
n1
传递到rm的传递函数，zn表示第n个待输能位置处的杂散信号。
12.相对于现有技术，本发明至少具有如下优点或有益效果：（1）本发明通过设计等空间角大孔径阵的排布设计，可以简单快速的获得trm的具体位置，提高多目标的输能精度；（2）本发明通过信道补偿方法进行信号前处理，对信号幅度进行了补偿，使得全部trm阵元对于待输能目标的贡献率相同，实现性能更优的输能；（3）本发明利用tr-wpt技术时，结合tr技术、信道补偿方法以及等空间角大孔径阵，实现输能精度更高、分辨率更高以及旁瓣更小的输能结果，拥有对多运动目标进行跟踪输能的潜力，可以改善天线的性能参数，提升系统的输能效率。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为本发明实施例提供的一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法的步骤图；图2为本发明实施例提供的等空间角大孔径阵示意图；图3为本发明实施例提供的tr处理的信号预处理阶段示意图；图4为本发明实施例提供的tr处理的信号后处理阶段示意图。
具体实施方式
15.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
16.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
18.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
实施例
19.请参阅图1，图1所示为本技术实施例提供的一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法的步骤图。
20.本技术一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法，包括以下步骤：s1、确定输能空间中待输能目标所在位置，并根据待输能目标的所在位置确定全部trm阵元的具体位置；s2、将输能空间进行网格划分，并在每个网格中依次放置源天线以通过源天线阵列发送激励信号到trm阵元进行记录；s3、通过输能目标所在位置确定输能目标在空间中对应的网格，基于该网格提取trm阵元中相应的信道信息，并将提取的输能目标信道信息依次进行tr处理和信道补偿处理；s4、将依次进行tr处理和信道补偿处理后的信号进行叠加并同步馈入对应的等空间角大孔径trm阵元中以得到对应的空间辐射场；s5、基于空间辐射场进行观测计算以得到空间中的平面场强分布以及输能结果。
21.其中，trm阵元采用宽频带锥形偶极子天线构成。
22.需要说明的是，将trm阵元选用为宽频带锥形偶极子天线，是因为其可使用全向型天线能够辐射或者接收全方位的信号，便于tr信号的辐射与捕获；另外，trm阵元也可选用其他类型的天线。
23.作为一种优选的实施方式，步骤s1中确定全部trm阵元的具体位置的方法采用等空间角大孔径阵排布方法。
24.由此，通过使用等空间角大孔径阵排布方法，可以使得tr-wpt技术的性能获得进一步提升。
25.使用等空间角大孔径阵排布方法的过程如下：首先，假设trm阵元间不存在耦合效应且空间中只存在一个源天线，在源天线位置的点源受到电流源j(r1)的激励，此时，空间电场分布为：
ꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，表示电场分布，公式中所有上标“+”均表示电磁波正向传播阶段，表示被积分区域为输能空间，电磁波由电流源向空间传播，表示从源天线位置r1至空间任意位置r的并矢格林函数，表示电流源，表示三重积分。
26.当电流源j(r1)为点激励源时，存在，当极化方式为线极化时，式（1）可化简为：（2）其中，表示电场分布，上标“+”表示电磁波正向传播阶段，j0表示点电流源矢量，表示冲激函数，r表示空间任意位置，r1表示源天线位置，表示从源天线位置r1至空间任意位置r的并矢格林函数。
27.根据电磁场的唯一性定理可知，给定区域的源分布、场的初始条件以及区域边界
条件，则该区域的场分布是唯一的，即在内部无源区内，已知闭合面上的切向场可唯一确定其的内部场分布，此时，trm上的电流为trm阵元的电流和，为离散形式，具体为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，表示trm阵元的电流和，为从源天线位置r1至空间任意位置r的并矢格林函数切向分量，表示点电流源矢量的切向分量，m代表trm的编号，m表示trm数量，表示trm位置，表示闭合面，t表示切向分量。
28.当trm阵元受到电流源激励工作时，在空间产生的电场为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，上标
“‑”
表示电磁波逆向传播阶段，上标“+”表示电磁波正向传播阶段，表示trm第m个阵元的位置，r表示空间任意位置，表示trm阵元受到电流源激励工作时在空间产生的电场，表示从trm第m个阵元的位置传输至空间任意位置r的并使格林函数，表示从源天线位置r1传输至trm第m个阵元的位置的并使格林函数切向分量，表示点电流源矢量的切向分量。
29.根据互易定理，在时不变信道中有：。
30.此时，原始激励源处的电场表示为：此时，原始激励源处的电场表示为：
ꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，表示trm第m个阵元的位置，下标“nor”表示法向分量，表示tr信号逆向传播时原始激励源处的电场，表示从trm第m个阵元的位置传输至空间任意位置r的并使格林函数，表示点电流源矢量的切向分量， 表示从trm第m个阵元的位置传输至源天线位置r1的并使格林函数法向分量，表示从trm第m个阵元的位置传输至源天线位置r1的并使格林函数切向分量，m表示trm数量，“*”表示取复共轭操作。
31.由于信号在原观测空间上逆向回传，使得trm阵元产生的电场切向分量在原始激励源位置聚焦。
32.又因为存在：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中，m表示trm数量，表示源天线的位置，表示从trm第m个阵元的位置传输至源天线位置r1的并使格林函数法向分量，表示从trm第m个阵元的位置传输至源天线位置r1的并使格林函数切向分量，表示点电流源矢量的切向分量，表示
trm第m个阵元的位置，“*”表示取复共轭操作。
33.由式（6）可知，在初始源位置的法向分量和切向分量相乘等于0，所以在初始源位置处仅存在聚焦信号；而在空间其它位置处，电场不存在相位正交或相位互补情况。因此，电磁波的聚焦仅发生在原始激励源位置，在空间其它位置不会出现聚焦现象。
34.为了简化计算，用标量格林函数代替并矢格林函数。此时，对于r1附近的观测位置而言，tr后的电场分布可以表示为：（7）式（7）中，m表示trm数量，表示距离待输能目标的位置r1的δr处的场强，表示从trm第m个阵元的位置传输至处的逆向传播的格林函数, 表示从待输能目标的位置r1传输至trm第m个阵元的位置处的正向传播的格林函数,表示的相位，表示的相位，km表示信号的波矢，“*”表示取复共轭操作，表示trm第m个阵元的位置，表示待输能目标的位置，表示一段很短的距离，表示波矢和间的夹角，表示波矢的相位，l
1m
表示trm阵元m与激励源位置的距离，表示点电流源矢量的切向分量，
“”
表示远小于，j表示虚数单位。
35.由于信道补偿方法对信道损耗进行幅度补偿，使得不同tr信号的贡献率相同。
36.基于信道补偿方法的电场分布为：
ꢀꢀꢀ
（8）其中，表示trm第m个阵元的位置，表示待输能位置，表示一段很短的距离，表示距离待输能位置r1为δr处的场强， m表示trm数量，表示点电流源矢量的切向分量，km表示信号的波数，表示波矢的相位，“*”表示取复共轭操作，j表示虚数单位。
37.式（8）中，对于不同排布的trm阵元而言，同一观测位置的波数、以及保持
相同，影响电场分布的因素仅为。
38.此时，保证相邻trm阵元与激励源位置的夹角相同，即使得trm阵元对应的均匀分布于[0,2π]。
[0039]
此时，trm阵元均匀分布于空间中，能够获得最全且最优的目标角谱信息，因此，当trm排布为等空间角大孔径阵时，能够实现更高的输能精度。
[0040]
如图2，图2所示为等空间角大孔径阵示意图。
[0041]
α1、α2、α3以及α4分别为相邻的trm阵元与源天线的夹角，当α1=α2=α3=α4时，trm的排布即为等空间角大孔径阵排布。
[0042]
作为一种优选的实施方式，步骤s3中tr处理的方法包括：将提取的输能目标信道信息进行时域tr或者频域相位共轭，然后由trm阵元重新向输能空间发射tr信号使其沿原路径自适应聚焦于目标位置。
[0043]
请参阅图3，图3所示为本发明实施例提供的tr处理的信号预处理阶段示意图。在信号预处理阶段，源天线发射激励信号，信号在传播过程中经过复杂的媒介空间后，被周围trm接收并记录，并将记录信号进行时域tr或者频域相位共轭。
[0044]
请参阅图4，图4所示为本发明实施例提供的tr处理的信号后处理阶段示意图。在信号后处理阶段，由trm重新向空间中发射tr信号，由于tr技术的时空同步聚焦特性，tr信号会沿着原来的路径自适应性地聚焦于目标位置。
[0045]
作为一种优选的实施方式，步骤s3中信道补偿处理的方法包括：计算第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数；其中，n表示源天线编号，m表示trm编号；基于信道补偿系数计算得到第n个待输能位置处的信号。
[0046]
作为一种优选的实施方式，计算第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数的公式为：，其中，表示第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数，a表示期望增益值，表示trm中第m个单元的位置，表示待输能目标n的位置，t表示时间，表示电磁波从传递到的传递函数，表示电磁波从传递到的传递函数，表示卷积运算。
[0047]
作为一种优选的实施方式，计算得到第n个待输能位置处的信号的公式如下：，，，
，其中，表示信道补偿后第n个待输能位置处的信号，表示第n个源天线发射至第m个trm阵元的信号的信道补偿系数，a表示期望增益值，x表示激励信号，m表示trm数量，n表示待输能目标数量，表示trm的第m个单元位置，、表示待输能目标n1、n的位置，t表示截取的时间窗，t表示时间，表示电磁波从rn传递到rm的传递函数，表示电磁波从rm传递到rn的传递函数，表示卷积运算，表示电磁波从r
n1
传递到rm的传递函数，zn表示第n个待输能位置处的杂散信号。
[0048]
可以理解，图中所示的结构仅为示意，一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法还可包括比图中所示更多或者更少的组件，或者具有与图中所示不同的配置。图中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
[0049]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统或方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0050]
另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0051]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0052]
综上所述，本技术实施例提供的一种基于时间反演等空间角大孔径阵的无线输能方法，通过确定输能空间中待输能目标所在位置，并确定全部trm阵元的具体位置；将输能空间进行网格划分，并在每个网格中依次放置源天线以通过源天线阵列发送激励信号到trm阵元进行记录；通过输能目标所在位置确定输能目标在空间中对应的网格，提取trm阵元中相应记录的信道信息，并分别进行tr处理和信道补偿处理；将处理后的信号进行叠加并同步馈入对应的等空间角大孔径阵trm中以得到对应的空间辐射信号；观测计算以得到空间中的平面场强分布以及输能结果；本发明利用时间反演技术，可以自适应地使电磁波聚焦于空间目标位置，实现高效、精准的能量传输，完美适用于多用户并行输能的应用场
景，既可以改善室内多目标的输能精度，也可以有效地降低空间中的旁瓣串扰，同时提升输能目标的分辨率。
[0053]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
[0054]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。