本发明属于分析及测量控制技术领域、特别涉 及快速信号的处理方法（局部时间伸 縮技术， Time stretch),也涉及到通信工程领域高速率数据传输 ， 以及光学和原子核工程。 背景技术

在我们日常生活或科学技术研究探索中，经常 需要将缓慢变化的过程加快以便我们 迅速了解该过程总体上发生了什么变化、或者 将快速变化的过程减慢以便我们了解过程 中的具体变化细节， 这就是时间伸縮技术（Time stretch 基于对时间伸縮技术的应用， 比较常见的有基于窄脉冲控制信号的快速取样 技术， 主要用于研究爆破、 核电子学、 基 本粒子运动特征等快速物理研究领域， 以及光电信号取样示波器。 然而， 取样技术本身 受到取样时间的约束， 成为其时间分辨率的极限， 对于小于此取样时间的更多细节则无 力分辨、 而且这些细节信息通过这种技术处理后也将大 大衰减、 湮没。 除了信息取样技 术外， 还有用于时间间隔测量的测时技术， 也有用到时间伸縮技术以便达到更高的时间 分辨力， 目前常用的方法是基于被测信号所具有的特征 进行时间量到其它物理量的转 换、 或依赖信号建立和释放的不对称性进行间接的 时间放大， 前者仍然受到转换器件的 响应时间限制且不直接针对源信号、而后者则 不能对多个对象和更多细节作进一步的解 析。

为了进一步说明这些时间伸縮技术存在的问题 ，我们再具体深入几种常见技术手段 加以分析。

取样技术是目前研究快速物理领域的重要手段 之一， 常见的有高速摄影技术和光电 取样示波器。 前者主要用于给快速运动物体拍照， 取样时间间隔相对较大， 一般为平面 图像信息 （典型应用研究参见： 李景镇 《迈向原子时间分辨的时间放大技术》， 中国科 学 E 辑， 《中国科学 技术科学》 2009 年 第 39 卷 第 12 期： 1887 〜 1904 ISSN:1006-9275 ); 后者主要用于光电子工程信号测试， 取样时间间隔相对较小（一般近 似为连续信号）， 由单条或数条通道构成（典型应用研究参见： 周旋 李锦林鲍秉乾《高 速电光信号的捕捉和记录一微微秒光取样和高 速摄影》， 《电子测量技术》 1984年 02 期 ISSN:1002-7300.0.1984-02-000)。

这两种应用必须使用时间周期很短的窄脉冲信 号，它也是被测信号时间分辨力的极 限。即便这样做能够实现将快速变化的物理过 程缓慢显示出来以便我们了解其细节的目 的， 但因为它须要比被观测对象更短周期的取样信 号或响应时间， 从而限制了我们对高 速变化对象的观测， 即便被测对象的周期和取样信号 （或响应时间） 的周期一致、 我们 也无法得到被测对象的细节。因此我们也可以 说基于取样技术的时间伸縮技术并不是真 正的对 （局部） 时间进行了伸縮， 因为它必须依赖周期更短的窄脉冲信号， 而被观测对 象的变化速率对观测者 /接收者而言始终没有变， 另外， 这种技术是不可逆的， 只能用于 获取细节内容而不能实现信息压縮。

时间转换技术常见于基于脉冲时隔测量的时间 -数字转换器（TDC)、游标尺计时器、 时间 -幅值转换器 （TAC)、 延迟线编码技术和插补技术。 其中，

( 1 ) 插补技术是基于器件本身的固有延迟时间常数 分别加上和减去信号本身的时 间间隔， 加大时间间隔后再辅以逻辑运算及电容充放电 对其延缓放大， 最终实现时间间 隔放大的效果。 它也可以被称之为时间间隔复制技术， 脉冲时隔的比例放大任然是利用 信号路径的不对称性来实现的， 这种技术并不是直接对原信号进行的时间间隔 放大， 中 间作了多次转换， 除了可用于单个时间间隔信号的测量外， 并不能用于其它场合。

(2) 延迟线编码技术是基于信号传输线路固有时差 到达门电路、 再利用同步时钟 锁存信号到达各门电路的状态来实现的。这种 技术只是针对降低计数时钟频率而采取的 措施， 本身并没有展宽被测信号的时间间隔， 而是依靠门电路较短的响应时间来提高时 间间隔分辨力。

(3 )时间-幅值转换技术是利用信号幅值随时间变� ��的特性， 通过测量幅值和 /或相 位然后再估算时间间隔的一种间接测量方法， 它也是时间-数字转换器的基础。 由于其 本身不是直接对时间间隔的测量， 依赖器件上信号幅值变化的连续性和稳定性、 以及时 间间隔-幅值的严格关联性才得以成立。

(4) 时间-数字转换器是以时间 -幅值转换为基础、 再通过幅值 -数字转换完成的， 除了前述方法的综合应用外，还有可能利用信 号建立和释放的不对称性作为时间伸縮处 理的前端， 如 Wilkinson型时间 -数字转换器 （TDC), 这种方法可以将时间间隔得到比 例放大， 但由于其本身仍然不是对时隔进行直接放大， 而是依赖电荷在电容上的累积和 释放过程中表现出的电特性而间接得到时间间 隔放大，所以对电容及充放电电路有严格 的要求， 抗干扰力差。 而且这种形式的时间时隔放大技术存在时间死 区， 不能对多目标 进行有效处理 （一个以上的时间间隔信号）， 也不能对连续变化的模拟信号进行处理。

与时间-数字转换器相近似的还有数字视频、 电影、 语音解码器等也经常用到时间 伸縮技术， 但一方面这些信息只是对原信号的一种记载、 并不代表原信号的真实内容。 在更为基础的层面， 这些信息在被保存时是以原信号作为控制量、 去影响其它物质的状 态、 并由其它物质的状态来反应原信号的特征； 另一方面它们通常使用的是将数字编码 按不同速率进行收发的方法， 数字编码 （取样技术）后信号的细节部分已经丢失（受 取 样脉冲频率所限）。 因此， 它们都不能真正体现原信号执行时间伸縮处理 后的实际结果。

综上所述的各种时间伸縮技术都不能在直接处 理、无响应时间约束、面向模拟信号、 面向同一通道的多个时间间隔对象、 可逆变换、 不损失更小的信号细节方面达成很好的 兼容性， 多数方案并没有真正改变被观测对象与观测者 /接收者的局部时间。 发明内容

本发明的目的是对离开信号源以后的目标信号 直接进行周期拉伸或周期压縮、 被 伸长了周期或縮短了周期的信号任然是目标信 号本身，伸长或縮短的信号周期既包括了 在时间上连续存在的目标信号、 也包括了在时间上不连续存在目标信号的时间 间隔， 实 现拉伸或压縮信号周期的本质是通过目标信号 变速器或位移反射目标信号、去改变目标 信号与观测者 /接收者之间作用的速率， 改变目标信号与观测者 /接收者之间作用的速率 是基于变速器能改变目标信号传播速度或位移 反射目标信号产生多普勒频移的方式，其 中变速器能改变目标信号传播速度的方式又包 括使用变化的加速场改变目标信号首尾 的距离、和改变介质的性质使目标信号在同一 介质内以不同的速度传播。 因信号在频谱 变化以后其物理性质和特性可能会发生转变， 一个既定周期伸縮比的方案可能必须是前 面三种基本实现方式的某种结合： 比如将红外线波段的电磁波转变为百兆级频率 的电信 号， 前者的频率是电子元件无法工作的频段、 而后者将会使非电子元件方案的体积大得 无法投入实际产品应用， 但如果以多普勒频移或受控介质作为信号周期 拉伸的处理前 端、 再辅以电磁波 -电信号转换装置、 最后再由电子管进行周期拉伸， 那么就可以成为 一个完整而实用的信号周期拉伸方案。 因此， 三种基本方案在某种意义上来说又仅仅是 实现周期伸縮的组成单元， 这要视具体应用系统的要求来决定、 实现一个既定周期伸縮 比的器件 （组） 所需的具体组合形式。

实现原理如下：

在本发明中根据信号能与其它物体发生作用的 类型不同罗列了三种基本实现方案， 第一种为可被反射的目标信号； 第二种为可透射于介质的目标信号； 第三种为可被加速 场加速的目标信号。 由于我们要处理的目标信号可能是生命周期很 长或到达时间不确定 的信号， 采用前三种基本实现方案难以满足其需要， 为此本发明还提供了利用前三种方 案的组合方案， 即采用工作在不同时间区间且循环相邻（循环 相邻是指时间安排在最后 一个通道的正程工作完成时、第一个通道的正 程工作已经或立即开始， 且本说明书中约 定正程为执行预定处理的状态<压縮或拉伸 >， 逆程为其相反执行状态<拉伸或压縮 >。 ) 的多个信号周期伸縮器件， 对目标信号进行无间断的周期伸縮， 并将在时间关系上串行 化输入的目标信号分段在多路并行输出， 或将多路并行输入的目标信号进行周期压縮、 以及串行化交错安排后聚焦及准直在同一个通 道进行输出的方法， 即带有超快速行列变 换的周期伸縮器件组。

1.针对可被反射的目标信号， 本发明使用了位移反射目标信号的实现方法。 这种实 现方法的基本原理是假设原来反射板表面与目 标信号作用的速率为 我们将反射板 沿着信号传播的方向以 v ₂ (v o)的速度移动， 使目标信号在时间上越偏后的部分到达 反射板表面的距离相对反射板没有移动时越远 、耗时更多， 则偏后被反射的部分将更加 远离它之前的部分，从而使该信号的观测者 /接收者得到的反射信号的速率比反射板没有 移动时的作用速率要低 （反射板与目标信号的作用速率相对其静止时 也降低了）， 这可 被用来拉伸信号的周期； 若我们将反射板沿着信号传播方向相反的方向 以 v ₂ (v o)的 速度移动，则目标信号在时间上越偏后的部分 到达反射板表面的距离相对反射板没有移 动时越近、 耗时更少， 偏后被反射的部分将更加接近它之前的部分， 从而使该信号的观 测者 /接收者得到的反射信号的速率比反射板没有� �动时的作用速率要高 (反射板与目标 信号的作用速率相对其静止时也升高了）， 这可被用来压縮信号周期。 （即， 依赖于多普 勒频移这一自然规律， 通过特定的实现手段， 使目标信号能够产生多普勒频移、 并使其 频移的值达到我们预期的要求。这种应用有别 于以往仅通过多普勒频移的的结果去判断 物体运动的速度或了解物体的运动形态一使用 已知的发射频谱和得到的反射频谱去 求解物体的运动特征； 而本发明是利用反射板的运动速度、 方位和得到的反射频谱作为 已知量， 去求解原目标信号的内容， 而应用的重点和目的又不仅在于求解原目标信 号的 内容， 还在于得到频谱变化这一实际结果本身： 使本来无法工作于目标信号频谱下的器 件有能力观测、 传输、 和解析原目标信号的内容； 或有意得到频谱变化了的信号， 尤其 是频谱变化非常大时会有很多方面的应用价值 ， 比如红外线与红光的互变换、 红外线与 无线电波的互变换。）。

2.针对可透射于介质的目标信号， 本发明是通过目标信号在介质内传播的过程中 改 变介质的特性、使目标信号传播速度发生改变 ， 使得目标信号离开介质的速度相对其进 入介质的速度不相等，使该目标信号离开介质 所耗费的时间相对其进入该介质所耗费的 时间发生改变， 从而实现目标信号周期的伸縮。 设在介质外周期为 T、 传播速度为 _Ve 的信号， 其在介质外的波长为

λ ₆ = \ _e x T

设该信号在介质中的传播速率为 _Vm ， 则进入介质时波长 为

离开介质后的波长 为

X _E = ^- v _e x T -^ = v _e x T

V e V m

··· = A

即穿过介质不会影响信号原有的波长。 但， 如果传播信号的介质是受控的、 且其传 播信号的速度受控制信号的幅值 /通量 /流量等物理量的大小而对应变化。 那么当信号在 受控介质中的传播速度瞬变为^'(^ „)时，则该信号离开受控介质后的波长为 λ _β

即再次回到原来的环境时信号周期已发生改变 _{( V Vm≠V m} '

•••v _m ÷v _m '≠l)。

如果在信号进入介质过程中或离开介质过程中 连续变化受控介质的传播速度特性， 则可以得到变化的周期伸縮比。在实际应用中 对于很多介质而言， 目标信号通过介质传 播时会因为控制信号、环境噪声等因素对介质 的影响导致电子云分布密度及分布结构发 生变化， 即便要获得固定的周期伸縮比也需要在信号进 入或离开时改变控制信号、 以便 修正那些因素带来的非线性影响。

3. 针对可被加速场加速的目标信号， 是通过逐渐加强或逐渐减弱的加速场控制信 号， 使得先后流经加速场的目标信号有不同的渡越 速度， 逐渐加强的加速场控制信号会 使偏后的目标信号对象比其前面的目标信号对 象有更快的渡越速度去追赶前面的目标 信号对象 (此为压縮信号周期)， 逐渐减弱的加速场控制信号会使偏后的目标信 号对象比 其前面的目标信号对象有更慢的渡越速度使其 更加滞后于前面的目标信号对象 (此为延 伸信号周期)， 从而实现伸縮信号周期的目的。 它的关键部件包括： 对目标信号具有作 用力的加速器、 流量控制信号发生器、 加速信号发生器， 其中加速器又包含有目标信号 引入孔、流量控制极、加速极、 引出孔或流量检测 /接收器、 以及目标信号流量检测修正 单元、 和承载 /固定前述几种部件的基体所组成的一套装置� �作为信号周期伸縮的器件: 其中， 基体也是计量其它部分位移参考的原点。 流量控制极与流量控制信号发生器的输 出信号相连接、加速极与加速信号发生器的输 出信号相连接， 目标信号按以下顺序通过 加速器： 自引入孔进入， 先通过流量控制极、 其流量与该控制信号的幅值大小成比例、 且正比于原始目标信号的流量大小， 被抑制流量之后的目标信号、 将进入到由加速极上 信号产生的加速场中，经过加速场加速后的目 标信号通过引出孔引出或由检测 /接收器吸 收， 加速场对目标信号的作用力正比于加速信号的 强弱。

当以流量形式体现的目标信号以某种初速度自 引入孔进入时， 由流量控制信号发生 器产生的流量控制信号比例抑制进入到加速场 的目标信号流量，被抑制流量后的目标信 号将进入加速场， 此时若加速控制信号是逐渐增强的， 则偏后的信号对象比其前面的信 号对象有更快的渡越速度去追赶前面的信号对 象， 使目标信号的周期被縮短； 若加速控 制信号是逐渐减弱的，则偏后的信号对象比其 前面的信号对象有更慢的渡越速度使其更 加滞后于前面的信号对象， 使目标信号的周期被伸长。

目标信号先后不同的部分虽然曾被不同程度的 增速（或减速），但本发明没有使用二 次速度准直的反向加速器， 是基于本发明针对以流量为信号大小体现方式 的情形， 而线 性增速 （或减速） 引起的目标信号空间分布密度縮小 （或增大） 正好与速度增加 （或减 小） 互补抵消并不会引起流量非线性变化 （满足物质总量的守恒）， 同时也降低了硬件 实现难度和制造成本。

4.虽然前面三种技术方案均能对各自适应的信� ��具有周期伸縮的能力， 但在信号周 期很长、 或信号到达时刻不确定的情况下， 则单个实施例就有难以完成的技术难题或实 用性很低， 从而限制其适用范围。 比如 1)在位移反射法中， 设位移反射器的在信号传 播方向上的矢量变化为 -1000米 /秒， 让其压縮周期为 1秒的光信号， 则使用单个实施例 就要求反射器的位移距离至少不低于 -1000米 /秒 X I秒 = -1000米，这在现实中不仅难以 实现， 就算实现其实用价值也已不大； 另外， 如果再有信号到达时刻的不确定性因素在 里面， 就算反射器可以移动 1000米而此时信号正好刚到达， 那么反射器还得继续按此 方向移动， 而实际上我们根本就不能确定信号什么时候到 达， 那么就势必要求反射器一 直按此方向移动。很显然这是不现实的，而且 在信号源与观测者 /接收者距离有限的情况 下会因为两者相遇而无法再做相向移动。 2) 在介质受控法中， 如果介质受控的最大速 度为 10 ⁷ 米 /秒、 最小速度 10 ⁶ 米 /秒， 要对周期为 1毫秒的信号进行 10倍周期延伸， 当 介质受控响应时间为 0的情况下介质的厚度也不得小于 10 ⁶ 米 /秒 x lO— ³ 秒 = 1000米，同 样存在难以实现或实用意义不大的情况。 3 ) 在速度差法中， 虽然外形尺寸上不再受到 完全的约束， 但基于量子学原理或信号对象本身的互斥力 （如电子流）信号对象也不可 能在空间尺度上无限制的压縮， 另外， 还依赖加速场的加速信号变化范围 （它的范围往 往也不会很大）。 为此， 本发明针对生存周期很长或到达时刻不确定的 信号， 使用多个 实施例循环工作在串行化信号不同时间区间的 方法，且将多个信号周期伸縮实施例处理 后的信号经过延时同步 （或串行化交错延时）后并行输出 （或串行输出） 的方法， 即本 发明的超快速串并 /并串变换方法。

超快速串并变换方法具体是： 首先， 将目标信号通过透射扩散或反射扩散的方式分 为完全相同的多路信号，将分离后的每一路目 标信号分别延时或分别延时每一路信号周 期伸縮器件的控制信号、使各路信号周期伸縮 器件的输入正程工作时间区间两两相邻或 相交并满足循环相邻，采用多个信号周期伸縮 器件一一对应所述分离后的每一路目标信 号进行无间断的周期拉伸处理， 并将在时间关系上串行化输入的目标信号分段 在各路并 行输出。

超快速并串变换方法具体是：将并行输入的目 标信号通过对应其通道数的多个信号 周期伸縮器件进行周期压縮处理， 再将各路目标信号分别延时、 或在目标信号周期还没 有压縮以前直接延时各路信号周期伸縮器件的 控制信号（如果目标信号是并行输入的模 拟信号， 则也需对其延时， 延时量与该通道控制信号的延时量相同）， 使各路被压縮后 的目标信号在空间前后上或时间前后上两两相 邻； 然后通过透射聚焦或反射聚焦、 再进 行路径准直的方式将各路信号汇集在同一个传 输通道中进行输出。

基于发明的上述技术原理， 本发明采用了如下的技术实施方案：

1.位移反射信号的周期伸縮器件， 关键部件包括： 基体 (基体也是计量其它部分位移 参考的原点)， 基体内含一个谐振腔、 两个反射板、 两个换能器 (当控制信号是直接作用 反射板产生位移的信号时换能器不是必须的)� � 两个控制信号连接头， 在基体上开有两 个孔分别为目标信号引入孔和目标信号引出孔 ；在谐振腔内的安排顺序从左到右顺次为 左控制信号连接头、 左换能器、 左反射板、 谐振腔、 右反射板、 右换能器、 右控制信号 连接头； 另外本器件在工作时还需一个控制信号发生器 和连接控制信号的连接线， 控制 信号发生器通过控制信号连接线与基体内的两 个控制信号连接头连接。控制信号发生器 能够在目标信号将要到达反射板表面时， 正好输出使反射板产生预定位移的控制信号。 其中， 当需要拉伸目标信号的周期时， 输出让反射板产生顺向 （同目标信号传播方向） 位移的控制信号； 当需要压縮目标信号的周期时， 输出让反射板产生逆向 （与目标信号 传播方向相反）位移的控制信号。根据单位时 间内该矢量的变化大小正比于伸长 /縮短目 标信号周期的比例来决定控制信号强-弱变化� �斜率； 为了简化后续信号频谱的解析复 原工作， 信号发生器与换能器的最终作用结果、 应正好是使反射板在伸縮目标信号周期 时产生匀速运动的状态。 针对处理目标信号的需要，事先调整好基体的 方位以便目标信号能够到达反射板表 面、 且当反射板产生相对位移时能有目标信号传播 方向上的矢量变化。 当目标信号将要 到达反射板表面时、 由该套装置的控制信号发生器产生相应的控制 信号， 并由换能器把 这个控制信号转换成反射板的位移量，通过反 射板在目标信号传播方向上有矢量变化的 位移对目标信号的作用， 使目标信号的周期被伸长或縮短。

目标信号源发出目标信号在本装置内实现信号 周期伸縮功能的具体步骤如下：

( 1 ) 目标信号从目标信号引入孔进入谐振腔；

(2) 在本装置的谐振腔内利用两个反射板位移反射 目标信号的方式改变目标信号 的周期长度；

(3 ) 经过多次位移反射后得到周期已经伸长或縮短 的目标信号， 从目标信号引出 孔引出。

需要说明的是， 本位移反射信号的周期伸縮器件并非必须包含 控制信号发生器， 在 不包含控制信号发生器时本器件工作需外接该 控制信号发生器。

2.介质受控的信号周期伸縮的器件， 它的关键部件包括:基体 II， 所述基体 II内含两 个反射板和一个谐振腔，在谐振腔的中间还有 一传播目标信号的速度正比或反比于外加 控制信号幅值 /通量 /流量等物理量大小的介质， 受控介质左右端面用于透射目标信号、 上下端面安装有两个换能器用于将控制信号发 生器输出的控制信号按幅值 /通量 /流量大 小等物理量转变为对介质的控制物理量， 和两个连接头； 在基体上开有两个孔分别为目 标信号引入孔 II和目标信号引出孔 II _; 另外本器件在工作时还需一个控制信号发生器 II 和两路控制信号连接线， 控制信号连接线用于将控制信号输出到换能器 的连接头上。 控 制信号发生器能够在目标信号进入受控介质但 还未离开前，输出使介质产生预定性质变 化的信号强度、 使目标信号在介质内传播变为与之前不同的速 度。 其中， 当需要拉伸目 标信号的周期时， 控制信号使介质传播目标信号的速度减慢； 当需要压縮目标信号的周 期时， 控制信号使介质传播目标信号的速度加快。 根据目标信号在进入介质时与离开介 质时速度的比值正比于伸长 /縮短目标信号周期的比例来决定控制信号强 -弱变化的幅 值。

目标信号源 II发出目标信号在本装置内实现周期信号伸縮� ��能的具体步骤如下：

( 1 ) 目标信号从目标信号引入孔 II进入谐振腔；

(2) 适时的改变目标信号所透过的受控介质的性质 ，使目标信号每次穿越介质时被 拉伸或縮短， 从而实现改变目标信号周期的目的；

(3) 经过多次拉伸或压縮的目标信号， 从目标信号引出孔 II (28) 引出。 所述受控介质的出射与入射界面与两反射板的 反射面互相保持平行，受控介质到两 反射板的距离分别为 L ₂ ， 其中

= L ₂ ≥ j"。 t 式中 V _e 为在受控介质外目标信号的速度， t _m 为目标信号穿过受控介质的时间（目标 信号最长的周期不得大于 t _m ，控制信号的基波周期等于目标信号从离 开介质到反射回来 后再次穿过介质所消耗的时间）。

需要特别说明的是： 当介质就是控制信号、 或介质能够直接响应控制信号时换能器 不是必须的，在不需要换能器的情况下控制信 号发生器输出的控制信号通过连接器引入 到所述介质上即可，所述连接器对于电信号而 言是指将控制信号发生器输出的控制信号 送达受控介质内部或表面连接线头和焊盘、 其驳接工艺能够使受控介质响应控制信号； 而对于场信号而言此连接器只要能够传递控制 信号到介质附近、使介质能够接收到控制 信号即可， 不必与介质有实际接触。 本受控介质的周期伸縮器件并非必须包含控制 信号 发生器 II， 在不包含控制信号发生器 II时在本器件工作时外接该控制信号发生器 II即 可。

3.电子枪式的信号周期伸縮的器件， 其部件构成包括： 高压电源及锯齿波信号发生 器 （相当于加速信号发生器）、 电子流检测与修正及同步电路 （相当于流量控制信号发 生器及目标信号流量检测修正单元）、 电子真空管 （相当于加速器）， 其中： 目标信号源 III的一端接公共地另一端连接电子真空管的阴 极 （相当于目标信号引入孔）； 高压电源 及锯齿波信号发生器一端接公共地， 另输出加速信号 G2连接到电子真空管加速极、 输 出高压信号 HV连接到高压阳极， 其同步信号线还与所述电子流检测与修正及同 步电路 连接； 电子流检测与修正及同步电路一端接公共地， 另输出流量控制信号 G1连接到电 子真空管栅极 （相当于流量控制极）， 还有一路信号连接线与电子管的靶极 （相当于流 量检测 /接收器）连接， 电子管的靶极用于吸收从阴极发射出来的电子 ， 所述电子流检测 与修正及同步电路还引出两路信号线， 一路为同步信号线， 另一路为被伸縮的目标信号 输出线；

其具体工作步骤如下：

( 1 ) 目标信号源 III产生的目标信号通过信号连接线连接到电子 真空管的阴极， 在 电子管阳极高压的吸引作用下形成自阴极流向 靶极的电子束流， 受阴-栅偏压的影响电 子束流的大小除了与原始流量大小成比例外还 将正比于于栅极电压的的强弱；

(2) 自阴极开始发射包含信号的电子束流以后， 逐渐升高或逐渐降低加速极的电 压， 使得不同时间进入加速场的电子获得不同的渡 越速度。 (3 ) 电子束流抵达阳极时因获得了足够的动量， 将穿越阳极的中心孔到达靶极；

(4) 电子束流到达靶极以后， 寄生于该电子束流内的信号已被伸縮， 经由电子流 检测与修正及同步电路检测及修正后， 由目标信号输出信号线输出。

4.超快速串并 /并串变换的器件包括若干个有效性选择器 （该选择器可由后续电路 实现， 不是本超快速串并 /并串变换的器件必要部件） ， 若干个前述的信号周期伸縮器 件， 若干个信号延时器（如果通过外部控制信号发 生器直接延迟每一路控制信号使各路 周期伸縮器件工作的起止时间不同、 则无需目标信号延时器）， 目标信号串并 /并串变换 装置（例如， 目标信号聚焦 /扩散及准直透镜）和外部控制信号发生器， 其中所述有效性 选择器、 信号周期伸縮的器件、信号延时器串联， 再与以相同形式串联的器件组并联后 连接目标信号串并 /并串变换装置，外部控制信号发生器连接有� �性选择器和信号周期伸 縮的器件。

有益效果及应用领域：

由于本发明改变了目标信号与观测者 /接收者之间作用的速率，被伸长或縮短了周� � 的目标信号对于观测者 /接收者而言同信号源直接发出这一速率和生� �周期的信号是完 全一致的，而观测者 /接收者本身并不能确定获取的信号是被伸縮� �的信号还是信号源发 出了这一频谱 /周期的信号；

本发明的所有方案均可通过改变控制信号时序 或斜率变化关系就能轻易的实现逆 变换； 均使用模拟技术， 不损失信号细节， 对于不连续存在信号的时间间隔信号也具有 同样的伸縮处理功能； 第一套和第二套方案还能有效解决自身的响应 时间问题（仅依赖 于材质分子级、 原子级、 或基本粒子级的特性）， 从而完全隔离了前端信号与后端器件 响应时间的匹配和约束问题。针对原始信号直 接进行周期伸縮还可用于频谱发生性质变 化的场合（例如， 将微波压縮为红外线、 将紫光压縮为紫外线等， 或者它们的逆变换）; 本发明的超快速串并变换技术，可以使并行输 出的信号变化速率仍然达到现有光电 子器件的极限速率； 本发明的超快速并串变换技术， 可把已经是光电子器件极限速率的 信号进一步压縮， 用以产生更高密度的信号。 基于本发明的这些特性， 可应用于测时学 提高测时器的时间分辨力； 可用于实现超快速的测量分析； 可用于制作频谱转移镜头或 频谱转移镜片， 如红外可视眼镜、红移 /蓝移镜头等产品； 基于信号细节特征应用的精密 测量系统； 大大提高现有通信系统的带宽； 以及高速信号取样技术（如取样示波器的探 头）及高速摄影， 可为核物理研究领域捕获极高速运动的电子、 质子或其它微观粒子的 动态运动特征等方面提供了可行的技术途径。 以及光电子器件的响应时间不及目标信号 变化速率的场合等。 附图说明

图 1是本发明的双面位移反射实施例；

图 2是本发明的透射介质受控实施例；

图 3是本发明的电子枪实施例；

图 4是本发明的超快速串并 /并串变换实施例；

图 5是双面位移反射实施例的基本规格参量；

图 6是双面位移反射实施例的工作时序状态一；

图 7是双面位移反射实施例的工作时序状态二；

图 8是双面位移反射实施例的工作时序状态三；

图 9是双面位移反射实施例的工作时序状态四；

图 10是透射介质受控实施例的工作时序状态一；

图 11是透射介质受控实施例的工作时序状态二；

图 12是透射介质受控实施例的工作时序状态三；

图 13是透射介质受控实施例的工作时序状态四；

图 14是电子枪实施例的工作时序状态图；

图 15是超快速并串变换实施例的工作时序状态图� ��

图 16是超快速串并变换实施例的工作时序状态图� ��

图 1 中： 1-控制信号发生器； 2-目标信号源； 3-目标信号引入孔； 4-左反射板； 5- 左控制信号连接线； 6-左换能器； 7-左控制信号连接头； 8-目标信号引出孔； 9-右控制 信号连接头； 10-右换能器； 11-右反射板； 12-右控制信号连接线； 13-基体； 14-谐振腔; 图 2中： 21-控制信号发生器 Π ; 22-目标信号源 Π ; 23-目标信号引入孔 Π ; 24-左 反射板 II； 25 -上控制信号连接线； 26-上换能器； 27-上控制信号连接头； 28-目标信号 引出孔 Π ; 29-下控制信号连接头； 30-下换能器 31-右反射板 II； 32-下控制信号连接线； 33-基体 II； 34-受控介质；

图 3中： 41-目标信号源 III； 42-目标信号连接线； 43-加速信号连接线； 44-电子真 空管加速极； 45-电子真空管栅极； 46-电子真空管阴极； 47-电子真空管； 48-高压阳极; 49-电子吸收靶极； 50-阳极高压连接线； 51-靶极电流输出信号线； 52-栅极控制信号连 接线； 53-目标信号输出线； 54-同步信号线； 55-公共地； 56-电子流检测与修正及同步 电路； 57-同步信号线 II； 58-高压电源及锯齿波信号发生器；

图 4中； 61-目标信号输出线或目标信号输入线； 62、 63-目标信号聚焦 /扩散及准 直透镜； 64-第一信道信号时刻四； 65-第二信道信号时刻四； 66-第三信道信号时刻四； 67-延时器 I ; 68-第一信道信号时刻三； 69-信号周期伸縮器件 I； 70-第一信道信号时 刻二； 71-有效性选择器 I； 72-第一信道信号时刻一； 73-第二信道信号时刻一； 74-有 效性选择器 II； 75-第二信道信号时刻二； 76-信号周期伸縮器件 II； 77-第二信道信号时 刻三； 78-延时器 II； 79-延时器 III； 80-第三信道信号时刻三； 81-信号周期伸縮器件 III； 82-第三信道信号时刻二； 83-有效性选择器 III； 84-第三信道信号时刻一； 85-同步信号 控制器。

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

参见图 1， 控制信号发生器 1产生一个运动控制信号， 使目标信号将要到达反射板 表面时， 正好输出使左反射板 4或右反射板 11产生预定位移的控制信号。 当需要拉伸 目标信号的周期时， 输出让左反射板 4或右反射板 11产生同目标信号传播方向位移的 控制信号； 当需要压縮目标信号的周期时， 输出让左反射板 4或右反射板 11产生与目 标信号传播方向相反位移的控制信号；根据单 位时间内该矢量的变化大小正比于预期拉 伸 /压縮目标信号周期的比例来决定控制信号发� �器 1输出控制信号的强-弱变化斜率， 为了使目标信号有较小的非线性频谱转移，控 制信号发生器 1与左换能器 6和右换能器 10的最终作用结果、 应正好是使左反射板 4或右反射板 11在伸縮信号周期时产生匀速 运动的状态。左控制信号连接线 5和右控制信号连接线 12上的信号并不要求完全对称， 但控制信号基波的周期需要与目标信号首部到 达对立面反射板所要经过的时间一致、 以 便经过数次反射后仍然是对目标信号的执行相 同操作 （始终压縮或始终拉伸）。 左换能 器 6和右换能器 10的作用是将控制信号发生器 1输出的控制信号转换为左反射板 4或 右反射板 11 实际物理运动的部件， 也可以是直接发生在控制信号与反射板之间， 如电 场信号对等离子体的作用， 左换能器 6和右换能器 10能够成比例的对应控制信号强弱 推动左反射板 4或右反射板 11产生相应位移。 且反射板的方位应使得入射波与反射板 法线的角度即入射角 ct， 取值为 0°<ct<90°， 以免信号信号被原路返回或不能进行多次拉 伸或压縮， 如果需要很多次反射则 ( 不能太大， 反射波偏离法线的平移方向必须是逐渐 接近目标信号引出孔 8的方向， 以便经过反射后的目标信号逐渐靠近目标信号 引出孔 8 并在到达目标信号引出孔 8时完全导出、 而不会使信号始终在谐振器里面反射、 吸收或 发生干涉作用。

参见图 5， 对本实施例的参数确定步骤如下 （以拉伸信号周期为例）：

本实施例的实现目标是比例拉伸或压縮目标信 号的周期，那么拉伸或压縮目标信号 周期的比例 （也就是应用系统对本实施例的基本要求） 为已知量设其为^，其中 N表示 目标信号被反射次数， 该量的确立是由反射板的运动速度和预期伸縮 比决定的。 反射板 的运动速度又取决于反射板的质量和换能器的 响应时间和力转换能力 F， 设这两者已经 被具体的材料和换能器确定。

设目标信号的传播速度为固定不变的速度 U， 左反射板 4或右反射板 11在入射波 的法线方向作径向对称往复式运动（振幅与时 间的关系为三角波，但不限于仅为三角波； 逆程时间越短则本器件能处理目标信号的周期 越长、但不会超过目标信号经过两反射板 最小距离 （拉伸信号周期时） 的两倍所花的时间）、 相对基体 13的速度为 v， 信号首次 从目标信号引入孔 3引入， 将要抵达右反射板 11时， 右反射板 11应在 R _R L的位置， 周 期为 T 的信号首部在 ^时间点抵达反射板表面， 此时若反射板不动， 那么经过时间 T 后的时间点 t ₂ 将是信号尾部抵达右反射板 11的时间点， 而这里右反射板 11在信号传播 方向有顺向位移， 那么信号尾部实际到达右反射板 11 的时间将是 t ₃ (t ₃ >t ₂ ) ；在经过右 反射板 11反射后的信号首部将要抵达左反射板 4时， 左反射 4应在 1 ^的位置， 那么 此时信号首部自右反射板 11到达左反射板 4经过的时间 T _{u min} 为：

按实现原理的要求， 在拉伸信号周期过程中自信号抵达左反射板 4以后左反射板 4 应该向 RLL移动，那么此信号尾部从右反射板 11抵达左反射板 4的时间将为 T+2(t ₃ -t ₂ 再次反射从左反射板 4到右反射板 11时间将会是 T+3(t ₃ -t ₂ ) ......直到经过 N次反射后 cos(a)Udt 此时则必须引出目标信号或停止反射板运动， 否则会因为拉伸\压縮状态交叠而出错 (边界将被反向处理） .即， 在对称往复式振动条件下必须满足

_Τ 、 Γ

J ₀ cos(a)Udt 在非对称往复式振动条件下， 正程所占一个控制信号周期的比例会使这一关 系发生 变化， 设正程占空比为 k，则必须满足

τ 、 r 1

—cos(a)Udt 也就是说振动板的距离能够决定特定工作模式 、特定速度目标信号的最大周期长度 T _max (拉伸信号周期为输出信号的最大周期长度， 压縮信号周期为输入信号的最大周期 长度）； 如果要使特定距离的两振动板伸縮更长周期的 信号， 除了提高正程占空比以外， 还有降低目标信号的速度的办法， 一般我们可以使用高折光率的介质来实现这一 目的。 本关系式仅适用于目标信号每一次的传播路径 具有同样的物理性质。

以图 1而言的信号周期伸縮比

_ v cos(a) _N

½ = (丄 H ― ) I 0<α<90 由此关系式我们可以根据反射板可以移动的速 度和入射角 (哪一个受限制更大再来 决定另外一个参量的范围。 由于目标信号的速度 U的改变涉及到推动介质运动，将不作 为首选， 除非 U 的改变不影响换能器、 反射板的振动性能和干扰目标信号。 入射角 a 和反射板引入孔到引出孔的平移距离 （H) 还能决定反射的次数 N

N = H

UT sm(«) 其中 1^„^为目标信号的最大周期（拉伸信号周期时 为输出周期，压縮信号周期时为 输入周期）， 所以调整入射角的时候必须一并决定引入孔距 离引出孔的位置和反射的次 数

₍ 、 H

= (1 I ^{V C0S} { ) ^ T _m sm(a) 确定了入射角、 目标信号的最大周期和反射板的移动速度后， 待处理的目标信号周期长 度也可以决定左反射板 4到右反射板 11的距离， 其中左反射板 4到右反射板 11的最小 距离 nin 最大距离

eK _N T

cos(a)Udt 一般而言， 在拉伸信号周期的情况下， 无论信号的首部是否真的存在目标信号， 但它的 时刻将作为本实施例的初相位参考量， 并由它决定本实施例左反射板 4到右反射板 11 的最小距离、 以及控制信号的基波周期 T _c

― d ― 以上参数确立过程仅针对拉伸信号周期的典型 算法和推演步骤， 实际工程应用中参 数确立的过程并不是唯一的； 参数确立过程仅针对固定的伸縮比值而言， 如果还受限于 材料或环境方面的影响，还需要进一步细化已 知量的受限范围来确定本实施例的工程参 数最佳范围。 压縮信号周期的参数确立过程与此类似， 参数确立是本实施例的逆变换， 本节不再赘述。

参见图 2， 受控介质 34的两个透射界面需要与左反射板 Π 24和右反射板 Π 31的反 射面相互保持平行、 且距离 （I^、 L ₂ 且 L ₁₌ L ₂ ) 应大于目标信号在受控介质 34中传播 的时间与目标信号在受控介质 34外传播速度之积的二分之一 （被反射板反射前和反射 后所经过的路径、 其物理性质完全相同的情况下， 否则应为全程路径之积）， 设在受控 介质外信号的传播速度为 v _e ， 目标信号穿过介质的时间为 t _m ， 则

设受控介质外信号的波长为 ， 在介质中传播的速度为 _Vm 、 波长为 介质厚度为 d， 两反射面的距离为 L， 则该实施例控制信号基波周期必须是 t _M +(L-dy _Ve ， 以便经过数次 反射后仍然是对目标信号的执行相同操作 （始终压縮或始终拉伸）。 较低的 _Vm 、 _Ve 有利 于处理更长周期的目标信号， 但却受限于受控介质驻留信号的密度、 介质密度、 电子云 分布结构等因素往往不能有太低的 V _m ，此时则需要加大介质厚度 d以及两边的间隙 (L

L ₂ )。

当目标信号源 22某一时刻发出信号， 通过目标信号引入孔 Π 23后波长为 λ _ε 以 _Ve 的速度传播的目标信号在 t _Q 时刻抵达受控介质 34左表面时，如果目标信号源 22发出信 号的时间可知或可控的情况下， 由该套装置的控制信号发生器 Π 21产生指定物理量（如 幅值、 通量、 流量等） 特定强弱的控制信号， 该信号的实际大小由受控介质 34的转变 率以及与其需要伸縮的范围决定， 并经过上控制信号连接线 25、 下控制信号连接线 32 传输给上控制信号连接头 27和下控制信号连接头 29， 上换能器 26和下换能器 30在此 信号下将转变其能量形式为受控介质 34的传播速度特性； 当 时刻目标信号尾部也完 全进入介质时 （此时在受控介质 34中传播的速度为 v _m 、 波长为 D、 再由该套装置的 控制信号发生器 Π 21产生与之前强弱不同的另一控制信号、并在� ��标信号离开介质时保 持不变， 使得这一目标信号离开介质时的速度为 v _m ， 在拉伸信号周期过程中 v _m <v _m 因此其离开介质所花的时间 t _m 。=;^/ _Vm 将大于进入介质所花的时间 t _ml = / V _m ， 则 离开介质后原信号波长将为 = v _e x T --^

° V 那么， 多次穿越受控介质并受同样控制状态的周期伸 縮比 = (^r。

V

上述提到的反射板可以为一面镀银 （作为反射功能之用） 的压电陶瓷， 所述的可控 介质可以但不限于是等离子体或者铌酸锂，所 述换能器可以为将控制电信号转化为位移 变化或者将控制电信号转化为电磁力或静电场 力去影响介质的特性。

为了进一步增强对目标信号周期压縮 /拉伸的效果，可以将上述受控介质的信号周� � 伸縮的器件与位移反射信号周期伸縮器件的器 件结合起来， 具体是： 在受控介质的信号 周期伸縮的器件基础上增设控制信号发生器 1和连接控制信号的左、 右连接线 5、 12， 控制信号发生器 1通过左控制信号连接线 5与左控制信号连接头 7连接、通过右控制信 号连接线 12与右控制信号连接头 9连接； 所述左、 右换能器 6、 10用于将左、 右控制 信号连接头 7、 9上的控制信号按幅值 /通量 /流量大小成比例的转变为控制反射板位移量 的信号。

需要说明的是，本实施例中的周期伸縮器件并 非必须包含控制信号发生器 I及控制 信号发生器 II， 在不包含所述控制信号发生器时本器件工作需 外接所述控制信号发生 器。

参见图 3， 本实施例是速度差法的具体实施应用， 是基于电子与电场的相互作用作 为本方案实施的基础依据。

设阴极到靶极的距离为 L， 给定加速极的电压是逐渐减弱的， 则电子所受之加速度 a=qU/mD (D为加速极到阴极间的距离， m为电子质量）将是变化的， 先后从阴极发射 的电子经过同样时间的加速、 获得的实际速度 ν = |" α 和渡越时间 t=L/v也将不同。 当 我们给定加速极的电压是逐渐增强的，则偏后 发射的电子会因为得到更大的速度去追赶 前面的电子而使整个信号的周期被压縮； 当我们给定加速极的电压是逐渐减弱的， 则偏 后发射的电子会因为更低的速度而进一步落后 于前面的电子而使整个信号的周期被拉 伸。 设最初发射的电子获得的速度是 v _start ， 最后发射的电子获得的速度是 v _end ， 最初发 射的电子距最后发射的电子的时间间隔为 T _Q ，则其获得线性加速或线性减速电后的时 间 增益为

_L L_

―

τ— τ。 在对电子束流作线性（递增量或递减量）加速 时， 虽然电子束流前后的电子具有的 速度不同， 但因为加速 （减速） 会使电子空间分布密度降低 （升高）， 两者互补因此也 无需再做电子束流速度准直修正， 简化了系统结构和总体硬件开销。

参见图 4， 超快速串并 /并串的周期伸縮器件组， 包括一个目标信号串并 /并串变换 装置，目标信号串并 /并串变换装置之后在沿各路并行目标信号方� �均顺序设置一个信号 周期伸縮器件，多个信号周期伸縮器件的一端 作为目标信号接口用于并行输入 /输出目标 信号， 另一端并行连接到目标信号串并 /并串变换装置。

超快速串并 /并串变换必须要实现各通道工作时间区间的� �行化交错安排，可使用延 时传输同步 （串行化交错）、 直接调节控制信号相位差等方法， 本实施例采用了延时各 路信号周期伸縮器件控制信号的方法,但实现� �式并不限于仅使用此方法。本实施例使用 了三个通道 （CH1\CH2\CH3 ) 的组合模式， 每个通道各占 1/3的工作周期且循环相邻。 无论使用几个通道， 要完成对信号的不间断伸縮处理， 就必需使各个通道的有效工作时 间区间相邻或相交 （压縮信号时输出信号的周期不能相交）、 直到任务结束。 本实施例 处于对称工作状态且绝对相邻仅仅是为了便于 简化描述其工作过程， 并不作为组合模式 的工作限定， 可根据实际情况工作于不完全对称、 有效工作时间区间相交、 不同的正程 逆程比等状态。

现以目标信号延伸为例介绍超快速串并 /并串的周期伸縮器件组的工作原理:超快速 串并 /并串的周期伸縮器件组工作在串并模式时，� �标信号分配并不是分段分割分配给每 个通道，而是把同一目标信号经过目标信号串 并 /并串变换装置分离为若干完全相同的目 标信号输出给各个信号周期拉伸器件，外部控 制信号发生器向各信号周期伸縮器件提供 不同时延的控制信号，使各路信号周期伸縮器 件对不同时间区间的目标信号进行拉伸处 理， 由于各路信号周期伸縮器件的正程工作区间又 是两两相邻或相交并满足循环相邻 的， 因此可以无间断的拉伸目标信号周期， 拉伸处理后各个通道都有被压縮和被拉伸的 两种类型组合信号，我们这里可以使用选择器 或低通滤波器选择出被拉伸的那部分信号 作为输出信号， 由于这些信号是在原始信号分段分配的、 且已被拉伸， 因此它们的总周 期是大于原信号的， 并行输出只是为了实现普通电子器件的传输或 测量， 信号内容的原 始频谱和时序信息还需要对分段分配并行传输 的信号进行频谱和时序逆变换，这里所指 的逆变换只作为值运算或分析用的虚拟变换， 而物理逆变换因为要进行频谱还原（但若 以信号本身的周期作为相对时间参考量则信号 变化曲线和相对频谱是没有任何变化 的）， 而还原了频谱则普通器件的工作速度是达不到 要求的； 而如果不进行频谱还原， 那么由于信号周期被拉伸， 那么将需要更长的时间才能输出整个原信号的 所有信息。 所 以使用分段并行输出可以节省信号输出的时间 。

超快速串并 /并串的周期伸縮器件组工作在并串模式时，� �标信号经过各个信号周期 伸縮器件压縮、延时后，不同通道的目标信号 通过目标信号串并 /并串变换装置汇集在同 一传输路径中，各个延时器的延时应该满足不 同通道的目标信号汇集在同一传输路径后 不会混叠， 且不同通道的目标信号汇集并没有高速器件（ 本实施例采用光学聚焦及准直 的办法进行串行化信号排列， 同时这样的结构也能实现扩散串行信号到多路 信号通道的 功能）直接参与信号的合成控制。 使用这种组合的目的， 既满足了较低频率下波序列的 利用率问题， 又满足了较高频率下波序列的控制问题， 从而使单通道的数据传输速率大 大提高。

所述目标信号串并 /并串变换装置当目标信号为电磁波时，聚焦� �准直可使用透镜或 曲面反射镜， 当目标信号为电子时，可使用电子透镜。所述 延时器当目标信号为光波时， 可以是玻璃但不限于是玻璃， 当目标信号为电子或电信号时， 可以使用传输线进行路径 延时（即传播距离不相等）。 所述选择器当目标信号为光波时， 可以是分色镜或分光镜， 当目标信号为电子时， 使用低通滤波器或直接利用器件最短响应时间 的办法。

本说明书中所举实施例的信号及其表达的形式 不代表是对本发明所泛指的信号的 约束和限制， 但本发明所针对目标信号的最高频率成分是大 于 100MHZ或信号在真空 \ 空气中的速度大于 10千米 /秒的目标信号； 本发明所指的信号可以是光信号、 可以是电 信号、 可以是电场力信号、 可以是其它基本力信号、 可以是寄生于任何实物粒子的信号 等； 在存在形式上可以是周期信号、 可以是非周期信号、 可以是连续变化的信号、 可以 是离散存在的信号等， 在传输路径的截面可以是点状的单路信号、 也可以是无穷多路的 面状信号或条状信号等； 本发明的控制信号也不单指电信号， 它也可以是诸如电磁力等 其它类型的信号； 本发明的应用领域也不特指和限于信号处理和 传输， 它也包括本说明 书中没有举例说明的核物理研究、 信号取样技术、 高速摄像机、 雷达、 粒子物理研究、 新物质的人工合成、 光速研究、 频谱转移镜头或影像变速镜片、 信号合成、 高能射线的 人工合成等所有基于对源信号直接进行频谱变 换后应用的所有领域；本说明书所举的具 体实施方式也不作为对本发明实现手段的约束 和限制，本发明的实现手段可以扩展到基 于本说明书中发明原理构思的任何组成和实施 方式，在信号周期伸縮器件之间的连接关 系也可以是并联、 可以是串联、 可以是不同种类的信号周期伸縮器件进行连接 。