微弱信号探测设备及其三维声学平底超构透镜

本发明涉及微弱信号探测，具体而言，涉及一种用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜以及具有所述三维声学平底超构透镜的微弱信号探测设备。

背景技术：

1、声学微弱信号探测技术在工业检测和环境监测等领域具有重要应用价值，但传统方法面临声波衰减和环境干扰的双重挑战。相关技术中基于声学超材料的声场调控技术虽能增强信号，但受限于窄带谐振机制和强指向性，难以满足实际应用中宽带响应和广角探测的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜，所述用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜克服了传统曲面透镜难以与平面传感器集成并实现宽角度响应的固有限制，拓展了折射率调控自由度。

2、本发明还提出一种具有所述用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜的微弱信号探测设备。

3、根据本发明第一方面实施例的用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜，所述三维声学平底超构透镜被构造成对称型结构，在以

o为坐标原点的

uvw坐标系中分别关于

vw平面、

uv平面对称且包括多层晶格，多层所述晶格沿

v方向排列，每层所述晶格包括彼此相连且沿

u方向和

w方向排列的多个微晶格，相邻两层所述晶格的所述微晶格相连，每层所述晶格在

v方向上的两端面被构造为平面，每个所述微晶格包括：立方形壳体，所述壳体具有内腔，所述壳体的六个面分别设有与所述内腔连通的通孔，多个所述通孔均匀对称布置；多个桁架，所述桁架设置在所述内腔中，所述桁架经过所述壳体的中心且沿所述壳体的体对角线延伸至所述壳体的相对两面上的顶点，其中，多个所述微晶格的位置通过以下方法确定：

4、根据以下公式实现以理想透镜球心为原点的

xyz坐标系到

uvw坐标系的变换：

5、       (1)

6、       (2)

7、式中，

u(

x,

y)表示

xyz坐标系中点(

x,

y)变换后的水平坐标；v(

x,

y)表示

xyz坐标系中点(x,y)变换后的垂直坐标；r为所述理想透镜的半径；为变换角度；为梯度算子；点

a、

b、

c、

d、

e、

f均位于

xy平面中且点

abcd构成矩形

abcd，矩形

abcd关于y轴对称且面积大于所述三维声学平底超构透镜在

xy平面的投影面积，点

e、点

f为所述理想透镜在

xy平面的投影轮廓与边长

bc之间的交点，；根据以下公式计算透镜折射率

n(

r)：

8、       (3)

9、式中，

n0表示周围介质的折射率，

r为点(

x,

y)到透镜中心的径向距离，根据以下公式计算所述三维声学平底超构透镜的二维折射率：

10、       (4)

11、根据以下公式计算雅可比矩阵j：

12、       (5)

13、根据以下公式计算所述三维声学平底超构透镜的三维折射率

n3d：

14、       (6)

15、根据结构参数-等效折射率映射关系

ndb(

da,

dh)，采用最近邻匹配策略构造所述三维声学平底超构透镜，

da表示所述通孔在水平面内投影的宽度，

dh表示所述桁架的宽度。

16、根据本发明实施例的用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜，通过准保角变换技术实现了三维透镜的平面化改造，克服了传统曲面透镜难以与平面传感器集成并实现宽角度响应的固有限制。同时，桁架与壳体复合的微晶格结构拓展了折射率调控自由度。

17、另外，根据本发明实施例的用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜还具有如下附加的技术特征：

18、根据本发明的一些实施例，根据以下公式构造所述三维声学平底超构透镜：

19、       (7)

20、式中，表示所述三维声学平底超构透镜的结构参数。

21、根据本发明的一些实施例，所述通孔为正方形，

da为所述通孔的边长。

22、根据本发明的一些实施例，所述桁架的数量与所述壳体的体对角线数量相等。

23、根据本发明的一些实施例，每层所述晶格在

u轴方向上的宽度由中间向着

w轴两端减小。

24、根据本发明的一些实施例，在多层所述晶格的排列方向上，中间位置的所述晶格在

uw平面上的投影面积大于两端位置的所述晶格在

uw平面上的投影面积。

25、根据本发明的一些实施例，所述内腔为立方体，

dc表示所述内腔的边长，

dc=2.8mm时，

da的取值范围为0.5mm-3.5mm，

dh的取值范围为0.5mm-1.0mm。

26、根据本发明的一些实施例，所述三维声学平底超构透镜的三维折射率

n3d为1.0-3.0。

27、根据本发明的一些实施例，两个所述微晶格通过其中一个所述壳体的侧面与另一个所述壳体的侧面贴合而相连。

28、根据本发明第二方面实施例的微弱信号探测设备，包括根据本发明第一方面实施例所述的用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜。

29、根据本发明实施例的微弱信号探测设备，利用如上所述的用于微弱信号探测设备的三维声学平底超构透镜，克服了传统曲面透镜难以与平面传感器集成并实现宽角度响应的固有限制，同时，拓展了折射率调控自由度。

30、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。