因为时间反演波具有自适应时空聚焦特性和特定条件下表现出来的超分辨聚焦特性,时间反演技术自上个世纪90年代引入工程领域以来,迅速引起了人们的广泛兴趣。时间反演自适应聚焦特性是指空间中的某点辐射一个脉冲信号,经时间反演镜接收、反演、重新发射后,该信号会在原发射点聚焦。而时间反演超分辨聚焦特性是指时间反演波在自适应聚焦的同时,所展现出来的亚波长分辨特性。本学位论文一方面使用不同方法对不同环境下的时间反演电磁波的时空聚焦特性和超分辨特性进行研究;另一方面,在模型研究的基础上,分别在时间反演通信和时间反演峰值检测方面推广时间反演技术的应用。主要包括以下内容:1.全局差分算子及其时间反演特性首先,从有源亥姆霍兹方程出发,构造含边界条件的全局差分算子,等价有源亥姆霍兹方程。对比于普通的差分算子,全局差分算子不仅避免了特征向量的计算,或是用迭代法求解场分布,而且解决了使用迭代法求解有源亥姆霍兹方程差分格式在高频段迭代发散的问题。由于虚假源的引入,该方法也使时间反演操作变得简便。其次,推出了全局差分算子满足电磁场互易性、时间反演对称性的条件,给出了实现时间反演完美聚焦对全局差分算子的要求。最后,在金属腔环境中,利用全局时间反演差分算子研究了激励源位置、时间反演镜位置和数量、加载金属散射体对时间反演电磁波聚焦特性的影响。2.时间反演聚焦和亚波长超分辨首先,为了解释时间反演电磁波在亚波长偶极子天线加载随机金属丝阵列中所表现出来的时间反演超分辨,将随机金属丝阵列简化为亚波长周期金属线阵,并进一步将金属线阵等效成介质板。利用传输线理论,得到了时间反演电磁波在周期金属线阵中的时间反演超分辨。同时,为了理解金属丝阵列参数如何作用于时间反演超分辨,讨论了金属线阵参量对时间反演电磁波超分辨时空聚焦特性的影响。其次,用周期小缝代替金属丝之间的间隙,以周期小缝作为边界,在二维情况下研究时间反演电磁波的聚焦行为。利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式研究时间反演电磁波在近场和远场的传播特性,讨论了时间反演镜的数量和位置、周期小缝的数量和小缝间隔对时间反演电磁波聚焦特性的影响。最后,基于上面两种时间反演模型的研究结果,为简化时间反演亚波长通信终端,摒弃在天线周围加载随机金属丝,提出了一种亚波长时间反演通信天线阵列。这些信道独立的亚波长天线阵列单元具有微刻蚀结构。相比于其它微结构刻蚀的亚波长天线阵列单元,该天线单元在不改变辐射特性的前提下,在时间反演聚焦实验中展示了更好的远场时间反演超分辨聚焦特性。3.基于时间反演聚焦峰值的检测首先,提出了一种利用迭代时间反演聚焦峰检测周期分层媒质介电常数的方法。根据迭代时间反演聚焦峰、介电常数和迭代次数之间的关系,只需要得到迭代时间反演聚焦峰,便可以反演出周期媒质中的介电常数。结果还显示,如果媒质是单层的,不需要进行时间反演迭代,只需得到一次时间反演聚焦峰,便可判定媒质的介电常数。其次,将上述基于时间反演峰值的检测方法用于检测螺栓的松紧程度,利用时间反演聚焦峰与螺栓松紧程度之间的关系,可有效地检测螺栓的松紧程度。实验和理论模型证明了这种方法的可行性,同时实验结果还展示了该时间反演检测方法的抗噪声特性和在低信噪比环境中的检测优势。