一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法和系統(tǒng)，是基于太赫茲頻段空間位置信息交換的開環(huán)和單脈沖跟蹤技術的閉環(huán)兩級跟蹤技術，采用太赫茲全向天線交換雙方的經(jīng)度、緯度、海拔，以引導伺服執(zhí)行機構實現(xiàn)開環(huán)對準，將目標引入不大于5°的空間角范圍內(nèi)，然后通過單脈沖跟蹤技術，將跟蹤精度提高到百分之一度，并通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)雙方的高精度閉環(huán)實時跟蹤；本發(fā)明可實現(xiàn)窄波束無線通信系統(tǒng)的自動對準；對準速度快，全程無需人工參與；完全采用電子自動化，對準精度高；本發(fā)明使太赫茲無線通信系統(tǒng)可用于移動平臺間的通信，并實現(xiàn)雙方天線的實時對準跟蹤；完全采用電子結構，體積和重量可以做得很小，安裝方便，應用靈活。
【專利說明】一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲通信與雷達技術，具體是一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準 跟蹤方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 太赫茲是指頻率在0. ITHz到ΙΟΤΗζ的電磁波，可用于高速無線通信應用。由于太 赫茲收發(fā)系統(tǒng)天線波束很窄(通常在Γ以下)，進行高速無線通信前需要進行對準，以建立 太赫茲鏈路?，F(xiàn)有的太赫茲無線通信收發(fā)機系統(tǒng)，如圖1所示，其手動對準機構如圖2-3所 示，包括方位向調(diào)節(jié)旋鈕和俯仰向調(diào)節(jié)旋鈕。手動對準時，通信收發(fā)雙方由人工通過光學手 段(望遠鏡)進行初始大致對準，然后對方位向以Γ步長在加減若干角度范圍內(nèi)進行微調(diào)， 每一步長使用功率計監(jiān)視接收信號的功率，得到方位角一功率曲線。曲線最大值處的方位 角為對準時的方位角，將方位向調(diào)節(jié)到該角度。再對俯仰向重復上述過程，得到對準時的俯 仰角，將俯仰向調(diào)節(jié)到該角度。此時接收信號功率達到最大，表示收發(fā)雙方已經(jīng)精確對準。
[0003] 但是，該對準方式存在以下缺點： 1、 對準時間長，對準過程麻煩。由于要對方位和俯仰兩個自由度分別進行調(diào)節(jié)，即使是 熟練操作人員，該過程至少也需要五至十分鐘時間，對準精度難以高于Γ。而且對準需求 精度越高，對準時間越長； 2、 遠距離對準難度大。當通信距離很遠，收發(fā)雙方難以用光學手段發(fā)現(xiàn)對方時，無法完 成初始對準，也就無法進行精確對準； 3、 手動對準方式無法實現(xiàn)收發(fā)雙方的自動跟蹤對準，不能應用到移動平臺的太赫茲收 發(fā)系統(tǒng)中。在車載、機載等移動平臺上，太赫茲無線通信收發(fā)雙方需要實時跟蹤對準，手動 對準方式不可能實現(xiàn)這樣的自動跟蹤對準。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明為克服上述技術缺陷，提出了一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方 法和系統(tǒng)，基于兩級自動對準跟蹤技術一太赫茲頻段空間位置信息交換開環(huán)跟蹤、太赫 茲單脈沖跟蹤技術閉環(huán)跟蹤，采用太赫茲全向天線交換收發(fā)雙方的三維空間位置信息(經(jīng) 度、緯度、海拔)，以引導伺服執(zhí)行機構實現(xiàn)開環(huán)對準跟蹤，將目標引入不大于5°的空間角 范圍內(nèi)，然后通過單脈沖跟蹤技術，將跟蹤精度提高到百分之一到千分之一度，并通過自動 控制系統(tǒng)實現(xiàn)收發(fā)雙方的高精度閉環(huán)實時跟蹤。
[0005] 本發(fā)明的技術方案如下： 一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述自動對準跟蹤系統(tǒng) 包括無線電臺、傳感器信息采集與處理模塊、信息處理器、網(wǎng)絡控制器、調(diào)制器、上變頻器、 混頻器、太赫茲濾波器、太赫茲本振倍頻鏈、太赫茲雙工器、太赫茲和差器、自校準模塊、太 赫茲低噪聲放大器、下變頻器、解調(diào)器、跟蹤測角接收機、伺服控制器、伺服執(zhí)行機構； 當系統(tǒng)處于開環(huán)跟蹤狀態(tài)下，通過無線電臺交換被跟蹤目標和系統(tǒng)的位置和姿態(tài)信 息；傳感器信息采集與處理模塊用于采集系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器的原始數(shù)據(jù)并處理后，統(tǒng)一送 給跟蹤測角接收機；跟蹤測角接收機將無線電臺接收的對方空間位置以及本系統(tǒng)的位置和 姿態(tài)信息進行綜合解算，得到天線的偏角，然后將該偏角數(shù)據(jù)送給伺服控制器；伺服控制器 驅(qū)動伺服執(zhí)行機構，偏轉(zhuǎn)天線，指向目標；在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)下，天線的偏角信息通過跟蹤測 角接收機從下變頻器輸出的信號中進行提取；信息處理器用于發(fā)送和接收通信過程中交 換的基帶數(shù)據(jù)；調(diào)制器用于將信息處理器發(fā)來的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到基帶頻率，轉(zhuǎn)換為模擬信 號；然后經(jīng)過上變頻器、太赫茲濾波器、太赫茲混頻器、太赫茲雙工器和太赫茲和差器，到達 太赫茲天線，轉(zhuǎn)換成太赫茲無線電波發(fā)射出去；太赫茲本振倍頻鏈用于為混頻器提供本振 信號；接收方通過太赫茲天線接收到發(fā)射方的太赫茲波，經(jīng)過太赫茲和差器、自校準模塊、 濾波器、太赫茲低噪聲放大器、混頻器、下變頻器、解調(diào)器后，得到通信基帶數(shù)據(jù)，送給信息 處理器接收，并遞交給用戶，完成信息的交換，實現(xiàn)無線通信過程；所述網(wǎng)絡控制器用于為 后續(xù)多臺設備組網(wǎng)通信預留的網(wǎng)絡信息與協(xié)議處理模塊，在點對點通信狀態(tài)下僅做數(shù)據(jù)中 轉(zhuǎn)。
[0006] 該自動對準跟蹤系統(tǒng)的具體自動對準跟蹤步驟如下： 當系統(tǒng)開機后，進入開環(huán)跟蹤狀態(tài)，首先，太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)收集獲取系統(tǒng)內(nèi)各個傳 感器所處空間的位置和姿態(tài)信息，然后發(fā)射方將獲取到的自己的位置和姿態(tài)信息調(diào)制后形 成中頻位置信號，再將中頻位置信號經(jīng)過上變頻得到太赫茲頻段位置信號，然后將太赫茲 頻段位置信號輻射出去；接收方接收到發(fā)射方的太赫茲頻段位置信號，將該太赫茲頻段位 置信號經(jīng)過下變頻、放大、解調(diào)處理后提取出位置信息；通過將發(fā)射方和接收方的位置信號 結合進行空間坐標解算，然后得到相應的偏轉(zhuǎn)角度，從而完成開環(huán)對準跟蹤過程，進入開環(huán) 跟蹤狀態(tài)。
[0007] 在開環(huán)跟蹤狀態(tài)，進行接收信號幅度判定，若接收到超過預設閾值的接收信號，則 判定目標已進入接收天線主瓣，可以進入閉環(huán)跟蹤狀態(tài)。在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，接受方通過接收 到的發(fā)射方信號，實時計算出發(fā)射方所處的位置，用于指導伺服控制器和伺服執(zhí)行機構驅(qū) 動天線完成對目標的高精度實時跟蹤。
[0008] 所述各個傳感器包括太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的GPS、高度計、溫度計、電子羅盤、傾 角儀等。
[0009] 所述位置和姿態(tài)信息指經(jīng)緯度、海拔、設備的航向角(偏航角）、俯仰角和橫滾角。 [0010] 所述伺服控制器驅(qū)動伺服執(zhí)行機構令太赫茲拋物面天線對準對方。與此同時，系 統(tǒng)通過太赫茲拋物面天線發(fā)射信號，并監(jiān)測天線控制系統(tǒng)的狀態(tài)和太赫茲無線通信鏈路的 信號。當太赫茲數(shù)據(jù)鏈路可正常通信時，表示初始對準過程已完成，系統(tǒng)進入跟蹤狀態(tài)。 [0011] 所述太赫茲拋物面天線安裝于伺服執(zhí)行機構上。
[0012] 所述雙工器可以使發(fā)射方和接收方同時進行自動對準過程，使雙方互相獲知對方 的空間位置信息。
[0013] 在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，發(fā)射方和接收方通過太赫茲高速無線通信鏈路即拋物面天線進 行位置信息的交換，而不是通過全向天線。此時全向天線可以起跟蹤輔助作用，避免因意外 造成太赫茲高速鏈路的中斷，而使雙方出現(xiàn)失跟。
[0014] 受發(fā)射功率限制，利用太赫茲全向天線建立的鏈路通信速率較低，僅起到空間位 置信息交換的功能，用于輔助高增益拋物面天線的對準。
[0015] 本發(fā)明的有益效果如下： 1.可實現(xiàn)窄波束無線通信系統(tǒng)的自動對準，對準速度快。全過程無需人工參與，完全 采用電子自動化技術，可以在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)收發(fā)雙方對準。
[0016] 2.對準精度高。目前伺服執(zhí)行機構的控制精度可以達到比百分之一至千分之一 度的精度，控制精度遠高于手動對準的精度。
[0017] 3.使太赫茲無線通信系統(tǒng)可用于移動平臺間的通信，并實現(xiàn)雙方天線的實時對 準跟蹤。
[0018] 4.完全采用電子結構，體積和重量可以做得很小，安裝方便，應用靈活。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的太赫茲發(fā)射機和接收機組成的無線通信鏈路示意圖； 圖2-3為本發(fā)明圖1中無線通信鏈路的手動對準機構示意圖； 圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖4所示，一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)，包括無線電臺、傳感器信息采集與處理模 塊、信息處理器、網(wǎng)絡控制器、調(diào)制器、上變頻器、混頻器、太赫茲濾波器、太赫茲本振倍頻 鏈、太赫茲雙工器、和差器、自校準模塊、太赫茲低噪聲放大器、下變頻器、解調(diào)器、跟蹤測角 接收機、伺服控制器、伺服執(zhí)行機構。
[0021] 設備處于開環(huán)跟蹤狀態(tài)下，首先，太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)采用無線電臺發(fā)射和接收 設備的位置和姿態(tài)信息；傳感器信息采集與處理模塊負責采集各個傳感器的原始數(shù)據(jù)并處 理后，統(tǒng)一送給跟蹤測角接收機；跟蹤測角接收機將通過無線電臺接收的對方空間位置以 及本設備的位置和姿態(tài)信息進行綜合解算，得到天線的偏角，然后將該偏角數(shù)據(jù)送給伺服 控制器；伺服控制器驅(qū)動伺服執(zhí)行機構，偏轉(zhuǎn)天線，指向目標；在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)下，天線的 偏角信息通過跟蹤測角接收機從下變頻器輸出的信號中進行提?。恍畔⑻幚砥饔糜诎l(fā)送和 接收通信過程中交換的基帶數(shù)據(jù)；調(diào)制器用于將信息處理器發(fā)來的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到基帶頻 率，轉(zhuǎn)換為模擬信號；然后經(jīng)過上變頻、太赫茲濾波器、太赫茲混頻器、太赫茲雙工器和太赫 茲和差器，到達太赫茲天線，轉(zhuǎn)換成太赫茲無線電波發(fā)射出去；倍頻鏈用于為混頻器提供本 振信號；接收方通過太赫茲天線接收到發(fā)射方的太赫茲波，經(jīng)過和差器、自校準模塊、濾波 器、太赫茲低噪聲放大器、混頻器、下變頻器、解調(diào)器后，得到通信基帶數(shù)據(jù)，送給信息處理 器接收，并遞交給用戶，完成信息的交換，實現(xiàn)無線通信過程。網(wǎng)絡控制器用于為后續(xù)多臺 設備組網(wǎng)通信預留的網(wǎng)絡信息與協(xié)議處理模塊，在點對點通信狀態(tài)下僅做數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。
[0022] 所述各個傳感器包括太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的GPS、高度計、溫度計、電子羅盤、傾 角儀等。
[0023] 所述位置和姿態(tài)信息指經(jīng)緯度、海拔、設備的航向角(偏航角）、俯仰角和橫滾角。
[0024] 所述伺服控制器驅(qū)動伺服執(zhí)行機構令太赫茲拋物面天線對準對方。與此同時，系 統(tǒng)通過太赫茲拋物面天線發(fā)射信號，并監(jiān)測天線控制系統(tǒng)的狀態(tài)和太赫茲無線通信鏈路的 信號。當太赫茲數(shù)據(jù)鏈路可正常通信時，表示初始對準過程已完成，系統(tǒng)進入跟蹤狀態(tài)。
[0025] 所述太赫茲拋物面天線安裝于伺服執(zhí)行機構上。
[0026] 所述雙工器可以使發(fā)射方和接收方同時進行自動對準過程，使雙方互相獲知對方 的空間位置信息。
[0027] 該系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法的步驟如下： 設備開機后進入開環(huán)跟蹤狀態(tài)，首先，太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)收集獲取系統(tǒng)內(nèi)各個傳感 器所處空間的位置和姿態(tài)信息，然后發(fā)射方將獲取到的自己的位置和姿態(tài)信息調(diào)制后形成 中頻位置信號，再將中頻位置信號經(jīng)過上變頻得到太赫茲頻段位置信號，然后將太赫茲頻 段位置信號輻射出去；接收方接收到發(fā)射方的太赫茲頻段位置信號，將該太赫茲頻段位置 信號經(jīng)過下變頻、放大、解調(diào)處理后提取出位置信息；通過將發(fā)射方和接收方的位置信號結 合進行空間坐標解算，然后得到相應的偏轉(zhuǎn)角度，從而完成開環(huán)對準跟蹤過程，進入開環(huán)跟 蹤狀態(tài)。在開環(huán)跟蹤狀態(tài)，進行接收信號幅度判定，若接收到超過預設閾值的接收信號，則 判定目標已進入接收天線主瓣，可以進入閉環(huán)跟蹤狀態(tài)。在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，接受方通過接收 到的發(fā)射方信號，實時計算出發(fā)射方所處的位置，用于指導伺服控制器和伺服執(zhí)行機構驅(qū) 動天線完成對目標的高精度實時跟蹤。
[0028] 在跟蹤狀態(tài)，發(fā)射方和接收方通過太赫茲高速無線通信鏈路即拋物面天線進行位 置信息的交換，而不是通過全向天線。此時全向天線可以起跟蹤輔助作用，避免因意外造成 太赫茲高速鏈路的中斷，而使雙方出現(xiàn)失跟。
[0029] 受發(fā)射功率限制，利用太赫茲全向天線建立的鏈路通信速率較低，僅起到空間位 置信息交換的功能，用于輔助高增益拋物面天線的對準。
【權利要求】
1. 一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法，其特征在于步驟如下：當太赫茲無 線收發(fā)開機后進入開環(huán)跟蹤狀態(tài)，首先，太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)收集獲取系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器 所處空間的位置和姿態(tài)信息，然后發(fā)射方將獲取到的自己的位置和姿態(tài)信息調(diào)制后形成中 頻位置信號，再將中頻位置信號經(jīng)過上變頻得到太赫茲頻段位置信號，然后將太赫茲頻段 位置信號輻射出去；接收方接收到發(fā)射方的太赫茲頻段位置信號，將該太赫茲頻段位置信 號經(jīng)過下變頻、放大、解調(diào)處理后提取出位置信息；通過將發(fā)射方和接收方的位置信號結合 進行空間坐標解算，然后得到相應的偏轉(zhuǎn)角度，從而完成開環(huán)對準跟蹤過程，進入開環(huán)跟蹤 狀態(tài)；在開環(huán)跟蹤狀態(tài)，進行接收信號幅度判定，若接收到超過預設閾值的接收信號，則判 定目標已進入接收天線主瓣，進入閉環(huán)跟蹤狀態(tài)；在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，接受方通過接收到的發(fā) 射方信號，實時計算出發(fā)射方所處的位置，用于指導伺服控制器和伺服執(zhí)行機構驅(qū)動天線 完成對目標的1?精度實時跟蹤。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法，其特征在 于：所述各個傳感器包括太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的GPS、高度計、溫度計、電子羅盤、傾角 儀；所述單脈沖跟蹤包括太赫茲和差器、跟蹤測角接收機。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤方法，其特征在 于：所述位置信息指經(jīng)緯度、海拔、設備的航向角、俯仰角和橫滾角。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在 于：包括無線電臺、傳感器信息采集與處理模塊、信息處理器、網(wǎng)絡控制器、調(diào)制器、上變頻 器、混頻器、太赫茲濾波器、太赫茲本振倍頻鏈、太赫茲雙工器、和差器、自校準模塊、太赫茲 低噪聲放大器、下變頻器、解調(diào)器、跟蹤測角接收機、伺服控制器、伺服執(zhí)行機構； 該系統(tǒng)的自動對準跟蹤流程如下： 設備處于開環(huán)跟蹤狀態(tài)下，采用無線電臺發(fā)射和接收設備的位置和姿態(tài)信息；傳感器 信息采集與處理模塊負責采集各個傳感器的原始數(shù)據(jù)并處理后，統(tǒng)一送給跟蹤測角接收 機；跟蹤測角接收機將通過無線電臺接收的對方空間位置以及本設備的位置和姿態(tài)信息進 行綜合解算，得到天線的偏角，然后將該偏角數(shù)據(jù)送給伺服控制器；伺服控制器驅(qū)動伺服執(zhí) 行機構，偏轉(zhuǎn)天線，指向目標；在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)下，天線的偏角信息通過跟蹤測角接收機從 下變頻器輸出的信號中進行提?。恍畔⑻幚砥饔糜诎l(fā)送和接收通信過程中交換的基帶數(shù) 據(jù)；調(diào)制器用于將信息處理器發(fā)來的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到基帶頻率，轉(zhuǎn)換為模擬信號；然后經(jīng) 過上變頻、太赫茲濾波器、太赫茲混頻器、太赫茲雙工器和太赫茲和差器，到達太赫茲天線， 轉(zhuǎn)換成太赫茲無線電波發(fā)射出去；倍頻鏈用于為混頻器提供本振信號；接收方通過太赫茲 天線接收到發(fā)射方的太赫茲波，經(jīng)過和差器、自校準模塊、濾波器、太赫茲低噪聲放大器、混 頻器、下變頻器、解調(diào)器后，得到通信基帶數(shù)據(jù)，送給信息處理器接收，并遞交給用戶，完成 信息的交換，實現(xiàn)無線通信過程；網(wǎng)絡控制器用于為后續(xù)多臺設備組網(wǎng)通信預留的網(wǎng)絡信 息與協(xié)議處理模塊，在點對點通信狀態(tài)下僅做數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在 于：所述伺服控制器驅(qū)動伺服執(zhí)行機構令太赫茲拋物面天線對準對方；同時，太赫茲無線 收發(fā)系統(tǒng)通過太赫茲拋物面天線發(fā)射信號，并監(jiān)測天線控制系統(tǒng)的狀態(tài)和太赫茲無線通信 鏈路的信號；當太赫茲數(shù)據(jù)鏈路可正常通信時，表示初始對準過程已完成，系統(tǒng)進入跟蹤 狀態(tài)。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在 于：所述太赫茲拋物面天線安裝于伺服執(zhí)行機構上。
7. 根據(jù)權利要求4所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在 于：所述雙工器使發(fā)射方和接收方同時進行自動對準過程，使雙方互相獲知對方的空間位 置信息。
8. 根據(jù)權利要求4所述的一種太赫茲無線收發(fā)系統(tǒng)的自動對準跟蹤系統(tǒng)，其特征在 于：在跟蹤狀態(tài)，發(fā)射方和接收方通過太赫茲拋物面天線進行位置信息的交換。
【文檔編號】G05D3/00GK104062981SQ201410170349
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權日:2014年4月25日
【發(fā)明者】吳秋宇, 鄧賢進, 林長星, 陸彬, 張健 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所