单频矩形脉冲时间反转镜仿真及能量增益分析系统

资 源 简 介

本项目主要在MATLAB环境下构建一个完整的单频矩形脉冲信号处理模型。系统首先根据参数设定产生具有特定载频和脉冲宽度的单频矩形脉冲原始信号，并以此作为仿真激励源。接着项目模拟信号在复杂波导环境或多径散射介质中的传播，通过信道冲激响应函数展示信号的振幅衰减与波形展宽。系统的核心功能是实现时间反转镜（Time Reversal Mirror, TRM）算法，对各接收点捕捉到的多径信号在时域上进行反转处理并重新发射。利用物理学中的波动方程互易性原理，这些时反信号将在原始源位置实现时空聚焦，补偿多径效应带来的失真

详 情 说 明

单频矩形脉冲信号的时间反转镜仿真与能量增益分析系统

本项目是一个基于MATLAB开发的信号处理仿真平台，旨在模拟和定量分析时间反转镜（Time Reversal Mirror, TRM）技术在复杂多径环境下的信号聚焦能力与能量增益效果。通过构建物理意义明确的数学模型，系统展示了时间反转技术如何利用波动方程的互易性原理，在时域和空域上补偿信道畸变并实现能量增强。

功能特性

1. 多参数化信号产生：支持自定义采样频率、载频和脉冲宽度，生成精确的单频矩形调制脉冲信号。
2. 复杂多径信道建模：模拟具有多条传播路径的随机信道，包含随时间指数衰减的振幅响应和随机分布的延迟效应。
3. 加性高斯白噪声注入：内置仿真噪声模块，用于评估系统在不同信噪比环境下的鲁棒性。
4. 时间反转核心算法：实现信号在时域上的完全反转，并模拟其在原对称信道中的回传与聚焦过程。
5. 包络提取与分析：利用希尔伯特变换（Hilbert Transform）精确提取原始信号与聚焦信号的包络线。
6. 定量能量增益评估：通过对比多径接收信号与聚焦信号的峰值强度，计算系统带来的分贝（dB）级能量增益。
7. 多维度结果可视化：提供包含六个子图的综合分析看板，直观呈现信号由原始发射到多径畸变，再到反转聚焦的全过程。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB（建议R2016b及以上版本）。
2. 运行仿真：在MATLAB命令行窗口中定位至项目目录，直接运行主程序脚本。
3. 参数调节：用户可根据需求修改主函数顶部的参数设置区域，例如调整多径路径数量、设置不同的信噪比或改变脉冲载频。
4. 结果查看：程序执行完毕后将自动弹出时域波形对比图，并向工作区控制台输出详细的性能分析报告。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB全系列版本。
2. 硬件环境：标准PC配置，无需特殊图形处理器支持。
3. 知识背景：具备基本的数字信号处理、线性系统卷积及波动物理学基础。

算法实现逻辑与关键环节分析

本项目逻辑严密，严格遵循信号发射、信道传输、信号接收、时间反转、回传聚焦、能量计算六大步骤：

一、 信号产生逻辑 系统在0.1s时刻触发一个持续时间为0.005s的矩形窗，并将其与指定频率的余弦载波相乘。这种处理方式产生了一个具有陡峭上升沿和下降沿的单频脉冲串，作为系统的激励源。

二、 信道冲击响应构建 信道模型并非简单的延迟，而是通过生成8条具有随机延迟的路径来模拟复杂的波导环境。为了符合物理真实性，每条路径的增益随延迟增加呈指数级衰减，并引入了总体的衰减系数。

三、 前向传播与噪声模拟 原始信号与信道冲击响应进行线性卷积，模拟信号经过多径散射后的波形展宽和幅度减小。随后，利用专门编写的高斯分布函数向信号中注入特定分贝的背景噪声，模拟真实的接收环境。

四、 时间反转镜核心（TRM） 这是系统的核心算法。程序利用向量翻转技术将捕获到的受损信号进行时域逆序处理。根据互易原理，原本在传播过程中产生的相位失真在反向传播时会变为相位超前，从而在原源点处实现同相叠加。

五、 聚焦效果分析与能量增益计算

1. 信号重构：将时间反转信号再次通过相同的信道模型，产生的聚焦信号将呈现出中心对称的强脉冲特征。
2. 特征提取：程序采用希尔伯特变换获取信号的瞬时幅值包络，有效排除了高频载波对能量观测的干扰。
3. 增益定量：系统分别计算多径接收端的最弱峰值与回传聚焦后的最强峰值。利用能量增益计算公式计算二者的比值并换算为标准dB单位，定量衡量TRM技术对信号强度的提升程度。

六、 数据可视化逻辑 绘图模块将整个仿真链条拆解为六部分：激励源、信道特征、畸变接收信号、待发射的反转波形、最终聚焦波形以及归一化后的包络对比图。这种渐进式的展示方式便于用户理解时间反转技术在脉冲压缩和信道均衡方面的优势。

关键数值报告说明

仿真结束后，系统会输出一份定量报告，包含以下指标：

• 原始脉冲峰值：用于作为参考的标准强度。
• 多径接收信号峰值：展示信号经过衰减和多径干扰后的真实状态。
• 聚焦后峰值：展示TRM技术通过能量汇聚所能达到的最高幅值。
• 能量增益 (dB)：这是评估系统的核心指标，代表了时间反转镜对信号能量集中度的贡献，通常在多径路径较多时，该值会显著增加。