CN118137160A - 一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，所述二维频率捷变动态可调谐超表面，为漏波波导馈电式结构，主要由多组谐振频点不一致的圆形互补电感电容(complementary electric‑inductor‑capacitor,cELC)单元构成，所述圆形cELC单元，由顶层谐振结构、第二层微波介质基板、第三层金属地结构、第四层辅助介质基板、第五层直流偏置电路和底层介质基板组成；所述二维频率捷变动态可调谐超表面天线，利用圆形cELC单元在不同频率以及不同开关状态下辐射模式的差异，可以产生多种低相关性的测量模式，进而可以用于压缩感知计算成像；通过合理地排布圆形cELC单元以及更改馈电方式，本发明所提的二维频率捷变动态可调谐超表面天线辐射效率在工作频段达到了78.4%~84.3%，可用于微波计算成像中回波信号信噪比的提高。
Description
技术领域
本发明属于微波计算成像领域，具体为一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面。
背景技术
随着超表面理论的迅速发展以及光学计算成像的愈发成熟，微波计算成像得到了极大的关注，其核心在于产生辐射场的多样性。微波计算成像技术利用超表面天线孔径辐射到空间的多样辐射场，将场景信息编码到一组测量值中，通过求解测量值与测量模式所构成的方程对探测场景进行反演。微波计算成像的性能依赖于所使用的***测量模式，测量模式之间的相关性越小，测量模式越多，对场景的观测就越精细。作为一种新型体制的微波计算成像技术，基于超表面天线的压缩感知微波计算成像***利用超表面设计可变辐射源，以更少量的测量次数实现对目标场景的成像在军事以及民生领域有着广阔的前景。
目前主流研究主要包括了频率多样性超表面(Frequency-Diverse Metasurface,FDM)设计和有源动态超表面孔径(Dynamic MetasurfaceAperture,DMA)设计。基于FDM的微波计算成像以频率为索引，利用阵元在不同频率的响应具有差异的特点，在空间产生多样的辐射模式，然而，大部分基于FDM的工作中采用的是高辐射Q值单元组成的阵面，因此单元往往只在给定频率下进行谐振，而在其它频点不辐射能量，这就造成在每个测量模式即每个频点上只有少部分单元辐射，进而导致了天线辐射效率较低的问题；为了减轻FDM对大带宽的要求以及为了增大电场自由度，基于DMA的微波计算成像被提出，该场景照明策略是依赖于口径上超材料谐振单元进行“开关”编码以产生随机辐射场，然而，使用PIN二极管始终只能提供有限的辐射模式。
因此，如何权衡超表面的辐射效率与辐射模式多样性，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中用于微波计算成像的超表面天线辐射效率较低的问题，提出一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，该超表面由圆形cELC单元组成，辐射效率在9.5GHz-10.5GHz内最高可以达到84.3％，这能够有效提高回波信噪比并增强图像质量。在提高辐射效率的同时，由二维频率捷变动态可调谐超表面产生的辐射模式依旧具有多样性，可以将该超表面用于微波计算成像。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，为漏波波导馈电式结构，由多组谐振频点不一致的圆形cELC单元、梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线构成，所述圆形cELC单元，由顶层谐振结构、第二层微波介质基板、第三层金属地结构、第四层辅助介质基板、第五层直流偏置电路和底层介质基板组成，金属通孔H贯穿一到五层结构，使顶层谐振结构和直流偏置电路相连；以圆形cELC单元上表面中心为坐标原点建立空间直角坐标系，垂直于纸面向外为x轴正方向，水平向右为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向；
顶层谐振结构包括金属辐射结构、加载在金属辐射结构上的PIN二极管、环形狭缝S1、椭圆形狭缝S2以及金属通孔H，左侧为端口Port1，右侧为端口Port2；
金属辐射结构是宽度为w，长度为d1的矩形微带线，以坐标原点为圆心，挖出一个宽度为Gap_1的环形狭缝S1，环形狭缝S1的外圆直径为R_O，在环形狭缝S1内部形成一个圆形金属结构；然后在y轴正半轴上找一点，以该点为圆心，r1为半径画圆，挖去它与圆形金属结构相交的那部分后，形成一个宽度为Gap_2的椭圆形狭缝S2，同理，在y轴负半轴以相同方法形成一个与之对称的椭圆形狭缝，再将两个PIN二极管置于这两个椭圆形狭缝中；最后在坐标原点处挖出一个直径为V_1的金属通孔H；
第二层微波介质基板为矩形基板，第二层微波介质基板上表面的中心与顶层谐振结构的中心重合，在第二层微波介质基板上表面印制顶层谐振结构，第二层微波介质基板的四条边与金属辐射结构的四条边分别平行且长边长度相同，在第二层微波介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过；
第三层金属地结构为金属板，贴附在第二层微波介质基板下方，其与第二层微波介质基板在水平面上的投影完全重合，在第三层金属地结构与金属通孔H相应的位置处打一个直径为V_2的隔离孔，其直径大于金属通孔H的直径；
第四层辅助介质基板贴附在第三层金属地结构下方，其与第三层金属地结构在水平面上的投影完全重合，在第四层辅助介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过；
第五层直流偏置电路位于第四层辅助介质基板的下表面，直流偏置电路的起点位于坐标原点处，包括扇形金属结构和直线金属结构：扇形金属结构以坐标原点为顶点，沿x轴负方向展开，其半径为r2，角度为θ；直线金属结构从坐标原点开始，沿x轴正方向延伸到第四层辅助介质基板的边界处，其宽度为b_l；在第五层直流偏置电路上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过；
底层介质基板与第四层辅助介质基板在水平面上的投影完全重合，在底层介质基板上表面印制第五层直流偏置电路。
进一步的，所述圆形cELC单元结构中，两侧的椭圆形狭缝S2充当电容，环形狭缝S1充当电感，二者共同组成了串联电容电感谐振器。
进一步的，可以引入一个直流电压控制所述加载在金属辐射结构上的PIN二极管处在“ON”状态(“1”状态)，或在“OFF”状态(“0”状态)。
进一步的，当圆形cELC单元的参数Gap_1、Gap_2、V_1、V_2、b_l、r2、w、θ不变的情况下，可以通过改变参数R_O以及r1实现其谐振频点的变化，共设计了8种可以工作在9.5GHz-10.5GHz中不同谐振频点的圆形cELC单元。
进一步的，将8种具有不同谐振频率的圆形cELC单元随机排列在一维漏波波导上，由多个一维漏波波导组成所述的二维频率捷变动态可调谐超表面，设定每种圆形cELC单元的数量为6个，一维漏波波导数量为4个，则每个一维漏波波导上有12个圆形cELC单元。
进一步的，在每个一维漏波波导两侧有一段长度为T_l的梯形过渡微带线，它的两侧分别与50Ω匹配微带线和圆形cELC单元的矩形微带线相连，50Ω匹配微带线的宽度为w1，同时，梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线均与圆形cELC单元的矩形微带线材质、厚度相同，且处在同一水平面；每两个圆形cELC单元的间距为d1，两个相邻一维漏波波导间的距离为d2，组成的二维频率捷变动态可调谐超表面尺寸为W×L。
进一步的，将所述的二维频率捷变动态可调谐超表面用于微波计算成像，具体步骤为：
1)建立近场微波成像***；
2)计算得到发射天线面在成像场景上点rn处所形成的辐射电场；
3)计算得到成像场景上所有散射点在接收天线面上点rr处产生的散射电场；
4)计算得到目标散射系数与辐射电场和散射电场之间的关系：
5)改变激励信号的频率以及每个圆形cELC单元中二极管的开关状态，产生M组不同的辐射模式对场景进行重复测量；
6)基于压缩感知重构算法从接收的测量信号中提取目标特征。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明所述二维频率捷变动态可调谐超表面结合了频率多样性超表面与有源动态超表面的优点，其工作频段为9.5GHz-10.5GHz，这与现有的应用在压缩感知计算成像中的频率多样性超表面相比降低了工作频段要求；其次，本发明所提超表面辐射效率大于78.4％，最高可达84.3％，与现有的用于微波计算成像的超表面相比显著提高了辐射效率；最后，本发明所提超表面在提高辐射效率的同时，依然可以产生多样性的辐射模式，可以有效用于微波计算成像中。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
图1是本发明提出的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面的三维结构示意图；
图2是本发明提出的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面的单元结构图，图2(a)为3D图，图2(b)为顶层结构图，图2(c)为中间层结构图，图2(d)为底层结构图；
图3是本发明圆形cELC单元的电场分布图，图3(a)为电场切向分量分布，图3(b)为电场归一化幅度分布；
图4是本发明圆形cELC单元在PIN二极管“ON”和“OFF”状态下的S参数仿真结果图；
图5是本发明圆形cELC单元在不同R_O以及r1下所对应的S21参数仿真结果图；
图6是本发明二维频率捷变动态可调谐超表面的平面透视图；
图7是本发明二维频率捷变动态可调谐超表面的仿真结果图，图7(a)为两种不同的编码模式图，图7(b)为模式1下的S参数仿真结果图，图7(c)为模式1下的天线辐射效率；
图8是基于二维频率捷变动态可调谐超表面的近场成像***图；
图9是对金属目标成像的重构效果图，图9(a)为原场景目标，图9(b)为M＝80重构的场景目标，图9(c)为M＝160重构的场景目标，图9(d)为M＝200重构的场景目标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面的三维结构图如图1所示，该超表面为漏波波导馈电式结构，由多组谐振频点不一致的圆形互补电感电容(complementary electric-inductor-capacitor，cELC)单元、梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线构成。
图2是圆形cELC单元结构图，由顶层谐振结构、第二层微波介质基板、第三层金属地结构、第四层辅助介质基板、第五层直流偏置电路和底层介质基板组成，金属通孔H贯穿一到五层结构，使顶层谐振结构和直流偏置电路相连。如图2(a)所示，以圆形cELC单元上表面中心为坐标原点建立空间直角坐标系，垂直向外为x轴正方向，水平向右为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向。
如图2(b)所示，顶层谐振结构包括金属辐射结构、加载在金属辐射结构上的PIN二极管、环形狭缝S1、椭圆形狭缝S2以及金属通孔H，左侧为端口Port1，右侧为端口Port2。
金属辐射结构是宽度为w，长度为d1的矩形微带线，以坐标原点为圆心，挖出一个宽度为Gap_1的环形狭缝S1，环形狭缝S1的外圆直径为R_O，在环形狭缝S1内部形成一个圆形金属结构；然后在y轴正半轴上找一点，以该点为圆心，r1为半径画圆，挖去它与圆形金属结构相交的那部分后，形成一个宽度为Gap_2的椭圆形狭缝S2，同理，在y轴负半轴以相同方法形成一个与之对称的椭圆形狭缝，再将两个PIN二极管置于这两个椭圆形狭缝中；最后在坐标原点处挖出一个直径为V_1的金属通孔H。圆形cELC单元结构中，两侧的椭圆形狭缝S2充当电容，环形狭缝S1充当电感，二者共同组成了串联电容电感谐振器，可以通过直流偏置电压控制所述加载在金属辐射结构上的PIN二极管处在“ON”状态(“1”状态)，或在“OFF”状态(“0”状态)。
第二层微波介质基板为矩形基板，第二层微波介质基板上表面的中心与顶层谐振结构的中心重合，在第二层微波介质基板上表面印制顶层谐振结构，第二层微波介质基板的四条边与金属辐射结构的四条边分别平行且长边长度相同，在第二层微波介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过，该层的介质材料选择为F4BK，其相对介电常数为εr＝3.5，正切损耗角为tanδ＝0.002，厚度为h1＝2.93mm。
如图2(c)所示，第三层金属地结构为薄片金属板，在两层介质板的中间，目的是为了将微带辐射层与馈电线路进行隔离，防止不必要的辐射层对直流馈电层的射频影响，同时也可以减小射频损耗，其与第二层微波介质基板在水平面上的投影完全重合，在第三层金属地结构与金属通孔H相应的位置处打一个直径为V_2的隔离孔，其直径大于金属通孔H的直径。
第四层辅助介质基板贴附在第三层金属结构下方，便于加工时多层板之间容易粘合，其与第三层金属地结构在水平面上的投影完全重合，在第四层辅助介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过，该层的介质材料选择为Rogers RO4450F，其相对介电常数为εr＝3.7，正切损耗角为tanδ＝0.004，厚度为h2＝0.2mm。
如图2(d)所示，第五层直流偏置电路位于第四层辅助介质基板的下表面，直流偏置电路的起点位于坐标原点处，包括扇形金属结构和直线金属结构：扇形金属结构以坐标原点为顶点，沿x轴负方向展开，其半径为r2，角度为θ，扇形金属结构作为电容可以对射频信号进行去除，进一步减少射频信号对直流走线的影响；直线金属结构从坐标原点开始，沿x轴正方向延伸到第四层辅助介质基板的边界处，其宽度为b_l；在第五层直流偏置电路上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过。
底层介质基板与第四层辅助介质基板在水平面上的投影完全重合，在底层介质基板上表面印制第五层直流偏置电路，该层的介质材料选择为FR4，其相对介电常数为εr＝4.4，正切损耗角为tanδ＝0.02，厚度为h3＝0.5mm。
顶层、第三层和第五层中用到的金属结构均为厚度为0.035mm的Cu。
为了有效地在微带线中传输主模并且抑制高次模的产生，顶层矩形微带线的宽度w需要满足的公式为：其中h1为第二层微波介质基板的厚度，εr为第二层微波介质基板的介电常数，λ为工作频率所对应的波长。由于矩形微带线的宽度w越宽，由圆形cELC单元向自由空间辐射的能量越少，因此，为了使组成阵面后的后续单元能够有效地向外辐射能量而不失效，经过全波仿真分析最终将矩形微带线宽度w定为18mm。在本发明的一个实施例中，当圆形cELC单元的谐振频点为10.112GHz且单元辐射状态处于“OFF”时，在商业仿真软件CST Studio Suite 2020中完成其余参数的优化，优化后的参数值为：Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、R_O＝8.0mm、r1＝2.4mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°。
当所述圆形cELC单元上未加载PIN二极管时，将激励从端口Port1馈入进行仿真，在谐振点处电场切向分量的分布形式如图3(a)所示，可以看出在椭圆形狭缝S2中电场切向分量是彼此平行的而不是相反，这种电场分量形式增强了总辐射功率；谐振点处电场归一化幅度分布如图3(b)所示，可以看出在椭圆形狭缝S2中存在高强度的电场，这也是影响辐射功率的主要区域，因此，可以通过在椭圆形狭缝S2中引入PIN二极管来更改圆形cELC单元的辐射状态。
考虑到二极管需要工作在高频频段，本发明的一个实施例选择MACOM公司的MADP-000907-14020二极管，该二极管的开启电压为1.33V，可以通过引入一个直流电压来控制PIN二极管处在“ON”状态(“1”状态)，或在“OFF”状态(“0”状态)，无论二极管处于什么状态，都会使得每个圆形cELC单元只辐射一定的能量，这保证了所述二维频率捷变动态可调谐超表面上的每个圆形cELC单元都能够对辐射场的变化做出贡献。图4是谐振频点为10GHz的圆形cELC单元在二极管处于不同状态下对入射电磁波的模拟响应，可以看出，当二极管处于“OFF”状态时，若工作频点为谐振频点，则沿微带线传播的电磁波可以很好的经由谐振单元辐射到自由空间，而偏离谐振点时，与单元的低耦合可以有效地使得大部分能量传播到后续单元；当二极管处于“ON”状态时，该单元几乎不辐射能量但是依旧会微弱影响空间中的辐射模式。
在微波计算成像中需要大量的具有多样性的辐射模式以达到较好的成像效果，在本发明的一个实施例中，共设计了8种谐振频率分别为9.680、9.732、9.860、10.012、10.112、10.248、10.368、10.432GHz的圆形cELC单元。在参数Gap_1、Gap_2、V_1、V_2、b_l、r2、w、θ不变的情况下，通过更改参数R_O以及r1可以实现谐振频点的变化，谐振频点随着参数R_O以及r1的增大而减小，且参数R_O的影响较r1更大。从端口Port1输入激励且单元辐射状态处于“OFF”时，在R_O＝8.6，r1＝4.1；R_O＝8.5，r1＝4.1；R_O＝8.3，r1＝3.0；R_O＝8.1，r1＝2.6；R_O＝8.0，r1＝2.4；R_O＝7.9，r1＝2.3；R_O＝7.7，r1＝1.9；R_O＝7.6，r1＝1.8(单位均为mm)这8种情况下，对应的S21参数仿真结果如图5所示，虽然各个单元谐振频点不同，但是8个单元的S21传输系数均保持在-4dB以内，保证了由单元组成的阵面的良好辐射性能。
图6是由上述所提的圆形cELC单元组成的二维频率捷变动态可调谐超表面的透视图，为使所提超表面产生更具有多样性的辐射模式，将8种具有不同谐振频率的圆形cELC单元随机排列在一维漏波波导上，由多个一维漏波波导组成所述的二维频率捷变动态可调谐超表面。在每个一维漏波波导两侧有一段长度为T_l的梯形过渡微带线，它的两侧分别与50Ω匹配微带线和圆形cELC单元的矩形微带线相连，50Ω匹配微带线的宽度为w1，同时，梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线均与圆形cELC单元的矩形微带线材质、厚度相同，且处在同一水平面上。在本发明的一个实施例中，设定每种圆形cELC单元的数量为6个，一维漏波波导数量为4个，则每个一维漏波波导上有12个圆形cELC单元；设定梯形过渡长度为T_l＝35mm，使得一维漏波波导在工作频段内达到良好的阻抗匹配；设定圆形cELC单元的间距d1＝14mm，这个间距不仅满足0.5倍工作波长以减小反射系数，而且由于单元较近使得单元间的耦合效应也会增加，耦合所带来的效应可以改变辐射模式，从而进一步增强辐射模式的多样性；其余参数设定为W＝160mm、L＝260mm、d2＝40mm、w1＝6.8mm。
对本发明所述二维频率捷变动态可调谐超表面上的每个圆形cELC单元进行随机“0-1”编码，“0”代表“OFF”，“1”代表“ON”，可以产生多样性的辐射模式。图7(a)是对具体实施例中的超表面随机进行的两种不同的编码模式，在编码模式1下，对该超表面进行激励时两侧端口的S参数仿真结果如图7(b)所示，可以看出，回波损耗S11在9.5GHz-10.5GHz工作频段均小于-10dB，传输系数S21同样不高于-10dB，说明大部分电磁波的能量可以通过该超表面辐射到自由空间中。图7(c)展示了本实施例中的二维频率捷变动态可调谐超表面在编码模式1下的天线辐射效率，整体的辐射效率在工作频段内保持在78.4％以上。需要说明的是，在基于超表面天线的微波计算成像中，超表面天线的辐射效率是有意义的，虽然在无噪声环境中辐射效率并不会影响重构性能，但存在噪声的情况下辐射效率的提高能够有效提高回波信号的信噪比，在相同功率的激励下，辐射效率高的天线辐射到自由空间中的功率越大，则计算成像***对抗噪声的能力越强。
图8是基于本发明所提二维频率捷变动态可调谐超表面的近场成像***图，在本发明的又一实施例中，以二维频率捷变动态可调谐超表面作为发射天线，喇叭天线作为接收天线，二者口径处于同一平面。具体地，超表面中心位于(0，-60，0)，喇叭口径中心位于(0，100，0)，成像场景面中心位于(0，0，500)，单位为mm。整个的成像场景面大小为300mm×300mm，共分为51×51个像素点，成像目标为金属贴片，默认其反射率为1。
设在发射端的激励为Ut，则可得到发射口径面在成像场景上点rn处所形成的辐射电场为：其中St(rt)为激励Ut到发射天线面At上点rt的传递函数，/>是发射口径面上点rt到场景上点rn的传输格林函数；
在一阶Born近似下，可以得到成像场景上所有散射点在接收口径面上点rr处产生的散射电场为：其中f(rn)为场景上点rn处的散射系数；
在接收端得到的电场强度为：
其中，Sr(rr)为激励到接收口径面Ar上点rr的传递函数，将接收端产生的场分布与激励源场强归一化后有：
令以及/>根据场景数目N＝51×51进行离散化，则可得到g的离散形式为：
通过随机改变激励信号的频率以及每个圆形cELC单元中二极管的开关状态，产生M组不同的辐射模式，用这M次组合分别对成像场景进行照亮，得到M个回波信号，所有M个回波信号的矢量可以表示为：
简写为g＝Hf，其中g向量由M个测量信号组成，H矩阵为测量矩阵，f是各散射点的散射系数组成的向量；
H矩阵中元素hmn可以表示为：
其中，表示为第m次测量中发射口径面在成像场景像素点n处的电场值，表示为第m次测量中接收口径面在成像场景像素点n处的电场值。H矩阵中每一行代表着对应每一次测量模式中发射天线电场与接收天线电场在场景面的乘积，每一列代表着每个像素点在不同测量模式下辐射场的变化。利用不同的辐射模式进行测量后，由于场景本身具有一定的稀疏性，则可应用压缩感知理论进行图像重构。
压缩感知理论是建立在信号稀疏表示、测量矩阵的非相关性以及逼近理论上的一种信号采集和重建的方法。该理论指出，只要信号是稀疏的或者在某个基下是可压缩的，就可以通过远低于Shannon-Nyquist采样定理要求的采样率获取信号的结构信息，再通过重构算法完成对信号的精确重建。其基本思想是先将高维信号降至低维空间，通过随机辐射获得观测值，这一过程同时完成了采样与压缩，然后利用稀疏先验知识处理接收的测量值，最后通过求解凸优化问题来重建原始信号。在本实施例中，采用两步迭代收缩/阈值算法(TwIST)实现图像重构，TwIST算法伪代码如下：
图9是利用上述实施例中的二维频率捷变动态可调谐超表面基于压缩感知算法对目标进行成像的重构效果图，在对图9(a)所示目标的微波计算成像全波仿真中，利用超表面共产生了M组测量模式，图9(b)、(c)、(d)分别是测量模式不同时的场景目标重构图。可以看出，在M＝80时，已经能够较为模糊地判断出目标的位置，当M＝160时，已经可以清楚地判断出目标的位置以及形状。由此可以得出，随着测量模式数的增加，重构目标的图像越来越清晰，周围的重影也在减小，从而证明了本发明所提二维频率捷变动态可调谐超表面在基于压缩感知的微波计算成像中的有效性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，为漏波波导馈电式结构，包括多组谐振频点不一致的圆形cELC单元、梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线，所述圆形cELC单元由顶层谐振结构、第二层微波介质基板、第三层金属地结构、第四层辅助介质基板、第五层直流偏置电路和底层介质基板组成，金属通孔H贯穿一到五层结构，使顶层谐振结构和直流偏置电路相连，其中：
顶层谐振结构包括金属辐射结构、加载在金属辐射结构上的PIN二极管、环形狭缝S1、椭圆形狭缝S2以及金属通孔H，其中金属辐射结构是宽度为w，长度为d1的矩形微带线，以圆形cELC单元上表面中心为坐标原点，建立右手坐标系，以坐标原点为圆心，挖出一个宽度为Gap_1的环形狭缝S1，环形狭缝S1的外圆直径为R_O，在环形狭缝S1内部形成一个圆形金属结构；在y轴正半轴上找一点，以该点为圆心，r1为半径画圆，挖去它与圆形金属结构相交的那部分后，形成一个宽度为Gap_2的椭圆形狭缝S2，同理，在y轴负半轴，形成一个与之对称的椭圆形狭缝，再将两个PIN二极管置于这两个椭圆形狭缝中；在坐标原点处挖出一个直径为V_1的金属通孔H；
第五层直流偏置电路包括扇形金属结构和直线金属结构，扇形金属结构以坐标原点为顶点，沿x轴负方向展开，其半径为r2，角度为θ；直线金属结构从坐标原点开始，沿x轴正方向延伸到第四层辅助介质基板的边界处，其宽度为b_l；在第五层直流偏置电路上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过。
2.根据权利要求1所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，二维频率捷变动态可调谐超表面关于x轴对称，其中：
第二层微波介质基板为矩形基板，第二层微波介质基板上表面的中心与顶层谐振结构的中心重合，在第二层微波介质基板上表面印制顶层谐振结构，第二层微波介质基板的四条边与金属辐射结构的四条边分别平行且长边长度相同，在第二层微波介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过；
第三层金属地结构为金属板，贴附在第二层微波介质基板下方，其与第二层微波介质基板在水平面上的投影完全重合，在第三层金属地结构与金属通孔H相应的位置处打一个直径为V_2的隔离孔，其直径大于金属通孔H的直径；
第四层辅助介质基板贴附在第三层金属地结构下方，其与第三层金属地结构在水平面上的投影完全重合，在第四层辅助介质基板上与金属通孔H相应的位置打孔，使金属通孔H从孔中穿过；
底层介质基板与第四层辅助介质基板在水平面上的投影完全重合，在底层介质基板上表面印制第五层直流偏置电路。
3.根据权利要求1所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，金属辐射结构的宽度w需要满足的公式为：其中h1为第二层微波介质基板的厚度，εr为第二层微波介质基板的介电常数，λ为工作频率所对应的波长。
4.根据权利要求1所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，当圆形cELC单元的谐振频点为9.680GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝8.6mm、r1＝4.1mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为9.732GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝8.5mm、r1＝4.1mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为9.860GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝8.3mm、r1＝3.0mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为10.012GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝8.1mm、r1＝2.6mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为10.112GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝8.0mm、r1＝2.4mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为10.248GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝7.9mm、r1＝2.3mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为10.368GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝7.7mm、r1＝1.9mm；
当圆形cELC单元的谐振频点为10.432GHz时，其结构参数为w＝18mm、Gap_1＝0.15mm、Gap_2＝1.2mm、V_1＝0.6mm、V_2＝1.2mm、b_l＝1.4mm、r2＝2.85mm、θ＝130°、R_O＝7.6mm、r1＝1.8mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，将8种具有不同谐振频率的圆形cELC单元随机排列在一维漏波波导上，由多个一维漏波波导组成二维频率捷变动态可调谐超表面。
6.根据权利要求5所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，在每个一维漏波波导两侧有一段长度为T_l的梯形过渡微带线，它的两侧分别与50Ω匹配微带线和圆形cELC单元的矩形微带线相连，50Ω匹配微带线的宽度为w1，同时，梯形过渡微带线和50Ω匹配微带线均与圆形cELC单元的矩形微带线材质、厚度相同，且处在同一水平面；每两个圆形cELC单元的间距为d1，两个相邻一维漏波波导间的距离为d2，组成的二维频率捷变动态可调谐超表面尺寸为W×L。
7.根据权利要求6所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，每种圆形cELC单元的数量为6个，一维漏波波导数量为4个，其余参数为：T_l＝35mm，d1＝14mm，W＝160mm、L＝260mm、d2＝40mm、w1＝6.8mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，顶层谐振结构、第三层金属地结构和第五层直流偏置电路的金属结构的材料选择为Cu，厚度均为0.035mm；第二层微波介质基板的材料选择为F4BK，其相对介电常数为εr＝3.5，正切损耗角为tanδ＝0.002，厚度为h1＝2.93mm；第四层辅助介质基板的材料选择为Rogers RO4450F，其相对介电常数为εr＝3.7，正切损耗角为tanδ＝0.004，厚度为h2＝0.2mm；底层介质基板的材料选择为FR4，其相对介电常数为εr＝4.4，正切损耗角为tanδ＝0.02，厚度为h3＝0.5mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于微波计算成像的二维频率捷变动态可调谐超表面，其特征在于，微波计算成像，具体步骤为：
1)建立近场微波成像***，二维频率捷变动态可调谐超表面作为发射天线，喇叭天线作为接收天线，二者口径处于同一平面；
假设在发射端的激励源场强为Ut，得到发射天线面在成像场景上点rn处所形成的辐射电场为：其中St(rt)为激励Ut到发射天线面At上点rt的传递函数，/>是发射天线面上点rt到场景上点rn的传输格林函数，/>为相位常数，|rt-rn|为发射天线面上点rt到场景上点rn之间的距离；
在一阶Bom近似下，得到成像场景上所有散射点在接收天线面上点rr处产生的散射电场为：其中f(rn)为场景上点rn处的散射系数，G(rr，rn)是接收天线面上点rr到场景上点rn的传输格林函数；
接收端得到的电场强度为：
其中，Sr(rr)为激励到接收天线面Ar上点rr的传递函数，将接收端产生的场分布与激励源场强归一化后有：
令以及/>根据场景数目N进行离散化，得到g的离散形式为：
其中g为发射信号经目标散射后在接收端得到的测量信号， 为发射天线面在成像场景点rn处的电场值，/>为接收天线面在成像场景点rn处的电场值，fn是成像场景上点rn处的散射系数；
2)通过改变激励信号的频率以及每个圆形cELC单元中二极管的开关状态，产生M组不同的辐射模式，用这M次组合分别对成像场景进行照亮，得到M个测量信号，所有M个测量信号的矢量表示为：
简写为g＝Hf，其中g向量由M个测量信号组成，H矩阵为测量矩阵，f是各散射点的散射系数组成的向量；
H矩阵中元素hmn表示为：
其中，表示第m次测量中发射天线面在成像场景点rn处的电场值，/>表示第m次测量中接收天线面在成像场景点rn处的电场值；
3)基于压缩感知重构算法从接收的测量信号中提取目标特征，即利用上述二维频率捷变动态可调谐超表面产生的M组不同的辐射模式进行测量后，可通过测量矩阵H和接收到的测量信号g反解出待测目标信号f，进而重构出目标图像。
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