Кіріспе

Уақытты кері қайтару сигналдарын өңдеу – сигнал өңдеу техникасы, оның үш негізгі қолданысы бар: байланыс үшін оңтайлы тасымалдаушы сигналды жасау, бастапқы оқиғаны қалпына келтіру және кеңістіктегі бір нүктеге жоғары энергиялы толқындарды шоғырландыру. Уақытты кері айна (ТРМ) – уақытты кері әдісін пайдаланып толқындарды шоғырландыратын құрылғы. ТРМ-дер көбінесе түрлендіргіштер массиві болғандықтан, уақытты терістеу айна массиві ретінде де белгілі. ТРМ оптикалық саласында ұзақ жылдар бойы белгілі және қолданылып келеді. Олар ультрадыбыстық саласында да қолданылады.

Шолу

Егер көз пассивті болса, яғни қандай да бір оқшауланған шағылыстырғыш болса, энергияны оған бағыттау үшін итерациялық әдіс қолданылуы мүмкін. TRM нысанаға қарай жүретін және одан шағылысатын жазық толқынды жібереді. Шағылысқан толқын TRM-ге қайта оралады, онда нысана (әлсіз) сигнал шығарғандай көрінеді. TRM сигналды кері қайтарады және әдеттегідей қайта жібереді, сонда нысанаға көбірек шоғырланған толқын барады. Бұл процесс қайталанған сайын толқындар нысанаға одан да көп шоғырланады. Тағы бір нұсқа – бір ғана түрлендіргіш және эргодикалық қуысты пайдалану. Эргодикалық қуыс – кез келген нүктеден шыққан толқынның кез келген нүктеге жетуіне мүмкіндік беретін қуыс. Эргодикалық қуыстың мысалы – дұрыс емес пішіндес бассейн: егер біреу суға секірсе, ақырында бүкіл бет нақты үлгісіз толқындармен жабылады. Егер таралу ортасы жоғалтусыз болса және шекаралары өте жақсы шағылыстырғыштар болса, кез келген нүктеден басталатын толқын басқа барлық нүктелерге шексіз көп рет жетеді. Бұл қасиетті бір түрлендіргішті пайдаланып, мүмкіндігінше көп шағылысуды алу үшін ұзақ уақыт бойы жазу арқылы пайдалануға болады.

Теория

Уақытты кері айналдыру техникасы толқын теңдеуінің өзара байланыс қасиетіне негізделген: егер толқын теңдеуінің шешімі белгілі болса, онда осы шешімнің уақыт бойынша кері айналдырылуы (теріс уақыт қолданылып) да шешім болып табылады. Бұл, стандартты толқын теңдеуі тек жұп реттік туындыларды қамтитындықтан болады. Кейбір орталар өзара байланыссыз болады (мысалы, өте жоғалтатын немесе шулы орталар), бірақ көптеген пайдалы орталар шамамен осыған жатады, соның ішінде судағы немесе ауадағы дыбыс толқындары, адам денесіндегі ультрадыбыс толқындары және бос кеңістіктегі электромагниттік толқындар. Орта да шамамен сызықтық болуы керек. Уақытты кері айналдыру техникаларын сәйкес келетін сүзгі ретінде қарастыруға болады. Егер бастапқы сигнал дельта функциясы болса, онда TRM-де алынған сигнал – арнаның импульстік жауабы болады. TRM импульстік жауаптың кері нұсқасын сол арна арқылы қайта жібереді, осылайша оны автокорреляциялайды. Бұл автокорреляция функциясы бастапқы көз орналасқан жерде ең жоғары мәнге ие болады. Сигналдың кеңістікте де, уақытта да шоғырланғанын түсіну маңызды (көптеген қолданыстарда автокорреляция функциялары тек уақыттың функциясы болып табылады). Уақытты кері айналдыру экспериментіне тағы бір көзқарас – TRM арнаны «үлгілейтін құрал» болып табылады. TRM арнаны жазу фазасында өлшейді және осы ақпаратты тарату фазасында толқынды көзке бағыттау үшін пайдаланады.

Тәжірибелер

Ерекше танымал зерттеуші – Париж қаласындағы Жоғары физика және химия өнеркәсібі мектебінің профессоры Матиас Финк. Оның командасы ультрадыбыстық ТРМ-мен көптеген тәжірибелер жүргізді. Бір қызықты тәжірибеде бір көзден тұратын түрлендіргіш, 96 элементті TRM және көз бен массивтің арасында орналасқан 2000 жұқа болат таяқ қолданылды. Көз 1 мкс импульсті жіберді, болат шашыратушылармен немесе оларсыз. Қайта тарату кезеңінде көз нүктесі уақыт және кеңістік бойынша өлшенді. Шашыратушылар болғанда кеңістіктік ені, шашыратушыларсызғыдан шамамен 6 есе тар болды. Сонымен қатар, кеңістіктік ені TRM-нің мөлшерімен анықталатын дифракция шегінен де төмен болды. Бұл шашыратушылар массивтің тиімді апертурасын арттырғандықтан мүмкін болды. Тіпті шашыратушылар қабылдау және жіберу кезеңдері арасында сәл жылжытылғанда (толқын ұзындығының шамасында), фокустау өте жақсы болды, бұл уақытты кері қайтару әдістері өзгеріп жатқан ортада да тұрақты бола алатынын көрсетті. Сонымен қатар, Карнеги-Меллон университетінің профессоры Хосе М. Ф. Мура Time Reversal принциптерін электромагниттік толқындарға қарай кеңейту үшін жұмыс істейтін зерттеу тобын басқарды және олар Rayleigh ажыратымдылығының шегінен асып түсетін ажыратымдылыққа қол жеткізді, бұл Time Reversal техникасының тиімділігін дәлелдеді. Олардың күш-жігері радар жүйелеріне бағытталған, және уақытты кері қайтару техникасы ең көп пайда әкелетін сияқты, өте қиын орталарда анықтау және бейнелеу схемаларын жақсартуға тырысады.

Қолданбалар

Уақытты кері қайтару сигналдарын өңдеудің артықшылығы – канал туралы ешқандай мәліметті білудің қажеті жоқ. Канал арқылы толқынды жіберу кезеңі оны тиімді түрде өлшейді, ал қайта тарату кезеңі осы деректерді толқынды шоғырландыру үшін пайдаланады. Осылайша, жүйені оңтайландыру үшін толқын теңдеуін шешудің қажеті жоқ, ортаның өзара әрекеттесетінін ғана білу жеткілікті. Сондықтан уақытты кері қайтару біртекті емес ортада қолдануға ыңғайлы. Уақытты кері қайтару сигналдарын өңдеудің тартымды жағы – ол көп жолды таралуды пайдаланады. Көптеген сымсыз байланыс жүйелері көп жолды әсерлерді жою және түзету керек. Уақытты кері қайтару техникалары барлық жолдардан келетін энергияны пайдаланып, көп жолды өз пайдасына айналдырады. Финк эргодикалық қуыс конфигурациясына негізделген криптографиялық қолданбаны көздейді. Кілт екі түрлендіргіштің орналасқан жерінен тұрады. Біреуі хабарды ойнатады, екіншісі толқындар қуыста шағылысқаннан кейін жазады; бұл жазба шуға ұқсайды. Жазылған хабар уақытты кері бұрып ойнатылғанда, толқындарды шоғырландыру үшін толқындарды іске қосуға бір ғана орын қолайлы. Ойнату орны дұрыс болса, шоғырланған хабар толқынын тек басқа бір орын көрсетеді; қалған барлық орындар шулы болуы керек.