專利名稱：重構(gòu)光子tr信標(biāo)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域，更具體地，涉及天線陣列領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用移動(dòng)雷達(dá)的天線陣列系統(tǒng)提供改良的傳感器性能，以探測(cè)和跟蹤所關(guān)注的跨越大的距離并具有寬場(chǎng)的多個(gè)目標(biāo)。對(duì)于相控天線陣列，如電子掃描陣列(ESA)天線，有一個(gè)新興的生產(chǎn)大的、輕的、易彎曲的平板天線陣列的需求。推動(dòng)這個(gè)需求的是希望在不影響已經(jīng)使用了現(xiàn)有的天線陣列結(jié)構(gòu)的飛艇性能的前提下，增大現(xiàn)有的天線陣列結(jié)構(gòu)的能力。然而，在某些環(huán)境下所使用的易彎曲的天線陣列結(jié)構(gòu)常會(huì)由于操作環(huán)境而承受一定的變形。因此，為保持可操作性，用于糾正這些變形的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是十分必要的。這樣，存在生產(chǎn)大的、輕的、易彎曲的天線陣列系統(tǒng)的強(qiáng)烈需求，其可在天線表面發(fā)生變形的情況下完成必要的調(diào)節(jié)來(lái)保持可操作性和效率。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，如在美國(guó)專利號(hào)6，954，173所示出的那樣，射頻(RF)相位感應(yīng)的概念可用于測(cè)量天線元件相互間的位移，波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)可用于重定向轉(zhuǎn)移天線元件的焦點(diǎn)。然而，如果天線陣列充分扭曲，用來(lái)照明天線陣列的、由固定的喇叭型信標(biāo)產(chǎn)生的相干信號(hào)，可能無(wú)法有效地被一些天線元件所接收。另一個(gè)提高飛艇的天線陣列結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法是利用傳統(tǒng)的同軸電纜，以及從接收者連接到測(cè)量天線陣列變形的射頻信標(biāo)的被動(dòng)式散射器的波導(dǎo)運(yùn)行路線。然而，當(dāng)射頻信標(biāo)離天線陣列很遠(yuǎn)的時(shí)候，重量和信號(hào)品質(zhì)將會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。另一種方法是用無(wú)線系統(tǒng)取代同軸通信。不幸的是，由于多個(gè)通道集中在包含眾多元件的一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生的很大程度的噪音，這已被證明是很不理想的。還有另一種方法是使用射頻放大器克服同軸電纜和波導(dǎo)運(yùn)行路線的射頻損失。然而，這未能解決與大量同軸電纜有關(guān)的重量問(wèn)題。還有另一種方法是使用具有固定波束的射頻信標(biāo)。不幸的是，這樣的射頻信標(biāo)覆蓋范圍有限，并缺少所需的用于調(diào)節(jié)陣列變形的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明典型實(shí)施方式的一個(gè)方面在于提供了用以校準(zhǔn)一個(gè)或多個(gè)用來(lái)在天線陣列產(chǎn)生變形的時(shí)候觀測(cè)天線陣列的天線元件的信標(biāo)的方法。該校準(zhǔn)可改善一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)和天線元件之間的通信。本發(fā)明典型實(shí)施方式的另一個(gè)方面在于利用相移過(guò)程來(lái)確定組成天線陣列的各個(gè)天線元件位移。本發(fā)明典型實(shí)施方式的另一個(gè)方面在于使用天線陣列的元件的確定位移來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)和/或一個(gè)或多個(gè)天線元件的信號(hào)，從而提高了陣列的效率。本發(fā)明典型實(shí)施方式的另一個(gè)方面在于利用纖維光纜通過(guò)光向一個(gè)或多個(gè)光信標(biāo)提供動(dòng)力，并可使天線陣列中的天線元件和一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)之間進(jìn)行電子通信。
根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方式的一個(gè)方面，其提供了一個(gè)可重構(gòu)的天線陣列系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個(gè)通過(guò)一個(gè)信標(biāo)信號(hào)來(lái)照明天線元件的陣列的至少一部分的可調(diào)信標(biāo)；一個(gè)連接到天線元件并被配置為用來(lái)確定天線元件的一個(gè)測(cè)試元件相對(duì)于天線元件的一個(gè)參考元件的位置的元件定位器，其利用了基于能被測(cè)試元件和參考元件所感知到的信標(biāo)信號(hào)的射頻相位檢測(cè)；一波束轉(zhuǎn)向單元，結(jié)合在可調(diào)信標(biāo)和元件定位器之間，其被配置為致使可調(diào)信標(biāo)產(chǎn)生一個(gè)與測(cè)試元件的確定位置相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)過(guò)的信標(biāo)信號(hào)以及被波束轉(zhuǎn)向單元所感知的天線信噪比率；與可調(diào)信標(biāo)相結(jié)合的光響應(yīng)元件，其被配置為可調(diào)信標(biāo)提供動(dòng)力； 以及一個(gè)被配置用來(lái)照明光響應(yīng)元件的光源?？烧{(diào)信標(biāo)可包括多個(gè)發(fā)射元件?？芍貥?gòu)天線陣列系統(tǒng)可進(jìn)一步包括橫向相機(jī)和一慣性測(cè)量單元，所述慣性測(cè)試單元被配置為相對(duì)于慣性平臺(tái)定位可調(diào)信標(biāo)?？芍貥?gòu)天線陣列系統(tǒng)可進(jìn)一步包括被配置用于定位慣性平臺(tái)的一個(gè)全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)散射器。該全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)散射器可用一套估算法來(lái)預(yù)測(cè)慣性平臺(tái)的位置和外推其對(duì)應(yīng)的信息至波束轉(zhuǎn)向單元。元件定位器可包括與測(cè)試元件和參考元件相結(jié)合的移相器，其被配置用來(lái)把被測(cè)試元件和參考元件接收的信標(biāo)信號(hào)的感應(yīng)相位轉(zhuǎn)換成為相移信號(hào)；解碼器，其連接移相器，并用于破解相移信號(hào)并將相移信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位確定信號(hào)；連接至解碼器的相位解析設(shè)備，其用于將相位確定信號(hào)轉(zhuǎn)換成與測(cè)試元件相對(duì)參考元件的確定位置相對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)。元件定位器可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)放大器，所述放大器結(jié)合在相移器、測(cè)試元件、參考元件之間，其被配置用于放大感知的相位并把放大后的感知相位提交到移相器。元件定位器可包括用對(duì)應(yīng)于信標(biāo)信號(hào)的獨(dú)特的頻率偏移來(lái)調(diào)制的移相器，其被配置用來(lái)直接測(cè)量相對(duì)參考元件相位的測(cè)試元件相位；與移相器相結(jié)合的相位解析設(shè)備， 其用來(lái)將直接測(cè)量到的測(cè)試元件和參考元件的相位轉(zhuǎn)換成為位置數(shù)據(jù)，該位置數(shù)據(jù)與測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的確定位置相對(duì)應(yīng)。光源可是結(jié)合至光伏器件的激光，該光伏器件被構(gòu)造用來(lái)為激光提供動(dòng)力?？芍貥?gòu)天線陣列系統(tǒng)可進(jìn)一步包括結(jié)合在波束轉(zhuǎn)向控制單元和信標(biāo)之間的第一波分模塊和結(jié)合在波束轉(zhuǎn)向控制單元和元件定位器之間的第二波分模塊，其中，波分模塊在第一個(gè)端口經(jīng)由電光調(diào)制器和光電檢測(cè)器連接到信標(biāo)和元件定位器，并在第二個(gè)端口經(jīng)由光纖和天線陣列控制電子器件連接到其他每個(gè)部分。在另一個(gè)典型的實(shí)施例中，提供了一個(gè)配置天線陣列系統(tǒng)的方法，所述天線陣列系統(tǒng)具有一個(gè)用來(lái)確定天線陣列的天線元件的物理位移的信標(biāo)，該方法包括使用信標(biāo)產(chǎn)生的信標(biāo)信號(hào)照明天線元件，可生成多個(gè)可被天線元件所感知的對(duì)應(yīng)于信標(biāo)信號(hào)的信號(hào)，可使用射頻相位感知技術(shù)基于多個(gè)信號(hào)確定相對(duì)于天線元件的參考元件的天線元件的測(cè)試元件的位置，在確定了相對(duì)于參考元件的測(cè)試元件的位置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行波束轉(zhuǎn)向校正，成形并指向信標(biāo)信號(hào)以更有效地照明天線元件，然后用光為信標(biāo)提供動(dòng)力。信標(biāo)信號(hào)可包括多個(gè)同步音調(diào)。相對(duì)于參考元件的測(cè)試元件的位置，可通過(guò)調(diào)制多個(gè)信號(hào)來(lái)確定，這些信號(hào)具有獨(dú)特旋轉(zhuǎn)速度，其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生相移信號(hào)的多個(gè)同步音調(diào)的頻率偏移，確定與測(cè)試元件相對(duì)應(yīng)的相移信號(hào)的第一相移信號(hào)和與參考元件相對(duì)應(yīng)的相移信號(hào)的第二相移信號(hào)之間的相位差，并且解析相位差以生成位置數(shù)據(jù)。確定第一相移信號(hào)和第二相移信號(hào)的相位差可包括匯總相移信號(hào)，以創(chuàng)建一個(gè)打包信號(hào)，下轉(zhuǎn)換打包信號(hào)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)混合信號(hào)，數(shù)字化混合信號(hào)來(lái)創(chuàng)建數(shù)字化信號(hào)，并用快速傅立葉變換來(lái)處理數(shù)字化信號(hào)。多個(gè)信號(hào)可被放大。該方法可以進(jìn)一步包括補(bǔ)償與預(yù)測(cè)的陣列位移和預(yù)測(cè)的傳播參數(shù)相對(duì)應(yīng)的相位差，并計(jì)算相位延遲和時(shí)間延遲以提高位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。多個(gè)同步音調(diào)可包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的頻段。一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的的頻段可包括X波段和UHF。該方法可以進(jìn)一步包括利用橫向相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量單元相對(duì)于慣性平臺(tái)定位信標(biāo)，使用一個(gè)全球定位系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感器和/或多個(gè)散射器相對(duì)于地球上的位置定位慣性平臺(tái)。在另一個(gè)典型實(shí)施方式中提供了一個(gè)方法，使天線陣列系統(tǒng)有一個(gè)信標(biāo)，所述信標(biāo)用來(lái)確定天線陣列中天線元件的物理偏移，該方法包括從一個(gè)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)包含多個(gè)在 UHF波段和X波段的同步音調(diào)的信標(biāo)信號(hào)，使用信標(biāo)信號(hào)照明天線元件，當(dāng)信標(biāo)信號(hào)被天線元件感知時(shí)產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)，放大多個(gè)信號(hào)，用對(duì)應(yīng)多個(gè)同步音調(diào)的頻率偏移的獨(dú)特旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制這些被放大的信號(hào)來(lái)產(chǎn)生相移信號(hào)，匯總相移信號(hào)以創(chuàng)建一個(gè)打包信號(hào)，下轉(zhuǎn)換打包信號(hào)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)混合信號(hào)，數(shù)字化混合信號(hào)來(lái)創(chuàng)建數(shù)字化信號(hào)，并用快速傅立葉變換來(lái)處理數(shù)字信號(hào)以生成一個(gè)FFT信號(hào)，用FFT信號(hào)確定與測(cè)試元件相對(duì)應(yīng)的第一相移信號(hào)和與參考元件相對(duì)應(yīng)的第二相移信號(hào)之間的相位差，解析相位差以生成慣性位置數(shù)據(jù)，用慣性位置數(shù)據(jù)來(lái)確定天線元件的測(cè)試元件相對(duì)于天線元件的參考元件的位置，用橫向相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量單元確定相對(duì)于慣性平臺(tái)的信標(biāo)的位置，用全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器和/ 或多個(gè)散射器基于相對(duì)于參考元件的測(cè)試元件的測(cè)定位置確定相對(duì)于地球上位置的慣性平臺(tái)的位置，進(jìn)行至少一個(gè)波束轉(zhuǎn)校正來(lái)成形并指出信標(biāo)信號(hào)以更有效地照明天線陣列， 并進(jìn)行元件校正以調(diào)節(jié)天線元件的方向性，同時(shí)用光為信標(biāo)提供動(dòng)力。


本發(fā)明的附圖連同說(shuō)明書，闡述了本發(fā)明典型實(shí)施方式，并配以說(shuō)明，有助于解釋本發(fā)明實(shí)施方式的原理。通過(guò)參照附圖對(duì)具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，本發(fā)明的上述及其他特征和方面將變得更加明顯，其中
圖1是一個(gè)示意圖，說(shuō)明了射頻相位感應(yīng)的概念；
圖2是一個(gè)示意圖，說(shuō)明了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的天線陣列系統(tǒng)的各個(gè)組件； 圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的光子TR信標(biāo)的示意圖；和
圖4是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的光子TR的示意圖，其中，光子TR信標(biāo)電路利用多路復(fù)用器來(lái)減少與光子TR信標(biāo)相關(guān)的纖維光纜的數(shù)量。
具體實(shí)施例
假定一個(gè)大而可彎曲的天線陣列，一般地，其上設(shè)置有天線元件的陣列表面可能在運(yùn)行期間或長(zhǎng)時(shí)間使用后變形，從而造成天線元件彼此之間的物理位置改變。例如，在飛艇中并在高空使用的天線陣列可附著在飛艇船體上。天線陣列可能會(huì)經(jīng)受溫度的極端變化，熱膨脹的物理現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致天線陣列表面的變形。此外，飛艇上的風(fēng)力，甚至湍流，都可能造成天線陣列表面的變形，這可能會(huì)降低系統(tǒng)保持信號(hào)相干性的能力。這可能會(huì)影響天線陣列結(jié)構(gòu)的性能和準(zhǔn)確性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
，一個(gè)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相干信號(hào)，被該信標(biāo)所發(fā)射的隨后的信號(hào)相應(yīng)于天線陣列表面的變形而被重新調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)由系統(tǒng)決定，以保持天線陣列結(jié)構(gòu)的有效的可操作性。參照?qǐng)D1，可安裝在飛艇內(nèi)部的信標(biāo)10 (如圖2-4所示)照明具有相干信號(hào)40的天線陣列結(jié)構(gòu)30的天線元件20。由于距離信標(biāo)10的距離的差異，不同的天線元件20可在不同的時(shí)間接收相干信號(hào)40，因?yàn)橄喔尚盘?hào)40將從信標(biāo)10經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)天線元件20。根據(jù)信標(biāo)10與20天線元件的接近程度，相干信號(hào)40既可被視為平面波(例如，如果信標(biāo)10在遙遠(yuǎn)的領(lǐng)域內(nèi))，或使用數(shù)字信號(hào)處理方法的額外計(jì)算可用來(lái)說(shuō)明相干信號(hào)40 的球面像差，如圖1所示(例如，如果信標(biāo)10緊密靠近天線單元20)。此外，每個(gè)能夠在發(fā)送和接收功能之間變化的天線元件20可連接到放大器50，以達(dá)到放大被各自天線元件20所接收到的相干信號(hào)40的目的，雖然這種放大器50不是本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用所必需的。與每個(gè)天線元件20相結(jié)合的是各自的相移器60，相移器60調(diào)制相應(yīng)于相干信號(hào) 40被天線元件20接收到的多個(gè)信號(hào)，這些信號(hào)具有相應(yīng)于所接收到的相干信號(hào)40的頻率偏移的獨(dú)特旋轉(zhuǎn)速度。相干信號(hào)40可包含多個(gè)同步音調(diào)，這些同步音調(diào)被用來(lái)進(jìn)行多個(gè)信號(hào)的調(diào)制。多個(gè)同步音調(diào)可以，例如，在X波段和UHF波段中。調(diào)制信號(hào)可以被稱為相移信號(hào)。這些相移信號(hào)然后可被發(fā)射/接收模塊(例如，合成器)70所組合(例如，匯總)， 從而創(chuàng)建一個(gè)單一信號(hào)，其可被稱為打包信號(hào)。打包信號(hào)然后可以被下轉(zhuǎn)換，并用一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，從而創(chuàng)建也被作為數(shù)字化信號(hào)的信號(hào)。數(shù)字化信號(hào)可是一個(gè)同相正交信號(hào)。數(shù)字化信號(hào)然后可用快速傅立葉變換(FFT)90進(jìn)行處理，這可測(cè)量被天線元件20 在它們的相移頻率處所接收的多個(gè)信號(hào)中每個(gè)信號(hào)復(fù)包絡(luò)的信息，以為每個(gè)信號(hào)創(chuàng)建復(fù)雜的FFT系數(shù)。復(fù)雜的FFT系數(shù)可用于測(cè)量已接收到相干信號(hào)40的天線元件20的相位差(例如，一個(gè)測(cè)試元件和參考元件)。測(cè)得的相位差隨后可被解析，從而對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間(其中，天線元件20接收到相干信號(hào))的信息可被轉(zhuǎn)換成指示兩個(gè)或多個(gè)天線元件20彼此之間的位置的信息。此外， 該系統(tǒng)使用本領(lǐng)域已知的方法來(lái)定期校正由于信道傳播所造成的相位和時(shí)間延遲。例如， 可用與天線元件20的預(yù)測(cè)位移相關(guān)的算法來(lái)計(jì)算相位補(bǔ)償。這些信息可能被用來(lái)(例如， 由一個(gè)波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)100)確定是否應(yīng)對(duì)隨后的由信標(biāo)10或一個(gè)或多個(gè)天線元件20所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行任何調(diào)節(jié)。如果這種調(diào)節(jié)是所期望的(例如，可改進(jìn)系統(tǒng)的性能)，那么一個(gè)與由天線元件20所發(fā)出的射頻天線信號(hào)的調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)可被發(fā)送至一個(gè)或多個(gè)天線元件20。前面的信息也被用來(lái)使信標(biāo)10進(jìn)行“自定位”，因?yàn)槎鄠€(gè)天線元件20的相位測(cè)量可用同樣的方式進(jìn)行組合來(lái)估算信標(biāo)10的位置。
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一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的相干信號(hào)40的單獨(dú)的信標(biāo)10允許系統(tǒng)確定天線元件20只在信標(biāo)10源的方向的相對(duì)位置(例如，在測(cè)試元件和參考元件之間位移的一維測(cè)定)。因此， 可加入第二和第三信標(biāo)(或更多)，從而可從三維空間來(lái)測(cè)定天線元件20彼此間的相對(duì)位置 (例如，通過(guò)使用三角測(cè)量法)。信標(biāo)10可從正交方向照明天線陣列結(jié)構(gòu)30，盡管不是必須這么做。此外，進(jìn)一步增加信標(biāo)10的數(shù)量可更精確地測(cè)量天線元件20的位置(例如，“徹底測(cè)定”的位置測(cè)量)。雖然信標(biāo)10應(yīng)當(dāng)具有一定程度的方向性來(lái)達(dá)到直接指向一個(gè)或多個(gè)天線元件20 的目的，天線陣列結(jié)構(gòu)30的表面的變形可使得一個(gè)或多個(gè)天線元件20不能充分接收相干信號(hào)40，從而可能阻止系統(tǒng)精確的測(cè)定一個(gè)或多個(gè)天線元件20的相對(duì)位置。因此，在上述計(jì)算基礎(chǔ)上，如果信標(biāo)10的這些意向的目標(biāo)或多個(gè)目標(biāo)(例如，天線元件20)已經(jīng)移動(dòng)，從一臺(tái)波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)100中發(fā)送一個(gè)波束轉(zhuǎn)向信號(hào)到信標(biāo)10的數(shù)字控制單元105以執(zhí)行調(diào)節(jié)，以便隨后的由信標(biāo)10發(fā)出的相干信號(hào)可更有效地定向到信標(biāo)10 所期望的一個(gè)目標(biāo)或多個(gè)目標(biāo)上。根據(jù)可被波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)100感知到的測(cè)量的信噪比， 波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)100可測(cè)定是否發(fā)送一個(gè)波束轉(zhuǎn)向信號(hào)以及要發(fā)送什么類型的波束轉(zhuǎn)向信號(hào)。相干信號(hào)40可通過(guò)多種在本領(lǐng)域所熟知的方法進(jìn)行重構(gòu)。相似地，一個(gè)或多個(gè)天線元件20也可被重構(gòu)，從而從那里發(fā)出的信號(hào)可被改變以增強(qiáng)天線陣列30的可操作性。一旦天線陣列20的彼此間的相對(duì)位置已被測(cè)定，計(jì)量學(xué)、和/或橫向相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量單元(IMU)可被用來(lái)測(cè)定一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)10相對(duì)于一個(gè)慣性平臺(tái)的位置(例如， 在飛艇外殼內(nèi)的天線陣列結(jié)構(gòu)30和信標(biāo)10)。一個(gè)附著在慣性平臺(tái)上的姿態(tài)傳感器被用來(lái)與全球定位系統(tǒng)組合在一起來(lái)測(cè)定慣性平臺(tái)相對(duì)于地球上一點(diǎn)的位置。慣性平臺(tái)可用已知的大散射器的雷達(dá)地面地圖來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，應(yīng)當(dāng)了解的是這些元件不是本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用中所必需的。參照?qǐng)D2，這些單獨(dú)的天線元件20可各自在兩個(gè)不同的頻段上運(yùn)行，例如X波段和UHF波段。此外，在天線元件20和天線陣列電子控制器110之間的通訊可經(jīng)由纖維光纜 120完成，因?yàn)楹芏嗯c天線陣列電子控制器110間隔相當(dāng)距離的天線元件20需要大量的電纜或光纖以實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。如上所述，使用光纖系統(tǒng)與使用同軸通信電纜相比減輕了系統(tǒng)重量，與使用無(wú)線技術(shù)相比基本上沒(méi)有信號(hào)減弱。為把被天線元件20所接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的發(fā)送到天線陣列電子控制器110的光信號(hào)，應(yīng)使用光載信號(hào)的直接調(diào)制和/ 或外部調(diào)制方法。在直接調(diào)制中，一個(gè)發(fā)光源如170 (例如，一個(gè)激光，或一個(gè)發(fā)光二極管)具有足夠的偏置電流使其產(chǎn)生光(例如，超出其惰性閾值)。尋求被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)光信號(hào)的射頻信號(hào)然后被用來(lái)直接調(diào)節(jié)偏置電流，從而以與射頻信號(hào)基本上線性的方式振幅調(diào)節(jié)光信號(hào)。在直接調(diào)制中，更高頻率需要電熱冷卻元件(例如，熱敏電阻控制的Peltier冷卻單元)與發(fā)光源 170相結(jié)合使用，以保持性能和波長(zhǎng)穩(wěn)定(特別地與波分復(fù)用系統(tǒng)一起使用)，雖然這樣一個(gè)設(shè)備不是本發(fā)明應(yīng)用所必需的。在外部調(diào)制中，連續(xù)波(CW)激光源可被用作發(fā)光源170，并可以應(yīng)用于干涉儀的輸入中(例如，一個(gè)Mach-Zender干涉儀，它可以代替直接調(diào)制激光170)，然后在那里波束被分成兩束，并且射頻信號(hào)用來(lái)在其中一個(gè)分裂波束中產(chǎn)生相位差。兩條波束然后重新組合，在干涉儀輸出上生成一個(gè)調(diào)幅光信號(hào)。相比直接調(diào)制鏈路，外部調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)卓越的性能。然而在外部調(diào)制中，發(fā)光源170需要與作為纖維光纜120的相維護(hù)纖維相連接，這通常比單模纖維更貴。此外，外部調(diào)制鏈路的性能強(qiáng)烈依賴于連續(xù)波激光源光功率水平。令人滿意的性能通常需要大大增強(qiáng)的光功率，從而相比直接調(diào)制鏈路而言增加了直流電源的消
^^ ο在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，其中，天線元件20在X波段和UHF波段運(yùn)行，外部調(diào)制激光可作為運(yùn)行在X -波段的發(fā)光源170，并且直接調(diào)制激光可能用作為運(yùn)行在UHF 波段的發(fā)光源170。對(duì)于外部調(diào)制激光和直接調(diào)制激光，光信號(hào)都可通過(guò)光電探測(cè)器140 (如光電二極管)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)(例如，在天線陣列電子控制器110內(nèi)使用，或用于由信標(biāo) 10或天線元件20產(chǎn)生的信號(hào))。發(fā)光源130可以是太陽(yáng)能的。通過(guò)連接到天線陣列電子控制器110，發(fā)光源130可為光子TR信標(biāo)150提供動(dòng)力，其反過(guò)來(lái)可結(jié)合到可接收光并將外部光能轉(zhuǎn)換為直流電能的光電設(shè)備，雖然對(duì)于本發(fā)明的應(yīng)用來(lái)講這樣的光電設(shè)備不是所必需的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，發(fā)光源130、以及天線陣列結(jié)構(gòu)30、信標(biāo)10和天線陣列電子控制器110可被安置在一個(gè)飛艇內(nèi)，而包括光電設(shè)備的太陽(yáng)能電池板可位于飛艇的船體外部并連接到天線陣列電子控制器110。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)典型實(shí)施方案，發(fā)射相干信號(hào)40的信標(biāo)是經(jīng)過(guò)連接到信標(biāo)的光響應(yīng)元件由光提供動(dòng)力。光響應(yīng)元件通常是一個(gè)光電元件，或任何適于通過(guò)入射光產(chǎn)生電信號(hào)的設(shè)備。光響應(yīng)元件可由通過(guò)纖維光纜連接到光響應(yīng)元件的光源提供動(dòng)力，或甚至可由一個(gè)非連接的自由空間光源(如激光)提供電源，該光源被校準(zhǔn)以從遠(yuǎn)處將光聚焦到光響應(yīng)元件上。參照?qǐng)D3和4，信標(biāo)10 (統(tǒng)稱為光子TR信標(biāo)150)的電路連接到纖維光纜120。如圖3所示，光子TR信標(biāo)150可連接到4個(gè)纖維光纜120。第一個(gè)纖維光纜120a用于接收光信號(hào)，該光信號(hào)來(lái)自天線陣列電子控制器110， 并與由信標(biāo)10發(fā)出的射頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)(即光子TR信標(biāo)150的射頻輻射元件10)。第一纖維光纜120a連接到光電檢測(cè)器140以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的射頻信號(hào)，如上所述，然后射頻信號(hào)可通過(guò)發(fā)射/接收模塊160傳送到信標(biāo)10。發(fā)射/接收模塊160還可以連接到電光調(diào)制器170，其可包括前面提到的直接調(diào)制發(fā)光源170，從而通過(guò)另外的第二纖維光纜120b將信標(biāo)10接收到的射頻信號(hào)光學(xué)地傳輸?shù)教炀€陣列電子控制器110。光子TR信標(biāo)150也可包括一個(gè)連接到第三纖維光纜120c的數(shù)字控制單元105。數(shù)字控制單元105可接收來(lái)自波束轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)100的波束轉(zhuǎn)向信號(hào)，從而使光子TR信標(biāo)150根據(jù)波束轉(zhuǎn)向信號(hào)調(diào)節(jié)射頻輻射元件10。第四纖維光纜120d可用于將動(dòng)力從天線陣列電子控制器110輸送到光子TR信標(biāo) 150的光響應(yīng)元件190，它可以由單模光纖(SMF)或便宜一些的多模光纖(MMF)組成。第四纖維光纜120d同樣可以連接到發(fā)光源130，如激光，其將通過(guò)天線陣列電子控制器110接收動(dòng)力(例如，如上所述通過(guò)太陽(yáng)能)。如前所述，本發(fā)明的實(shí)施方式可在缺少第四纖維光纜 120d的情況下實(shí)施。例如，可對(duì)激光進(jìn)行校準(zhǔn)，使其從遠(yuǎn)處將波束能量聚焦在遠(yuǎn)光響應(yīng)元件 190 上。參照?qǐng)D4，根據(jù)本方面的另一實(shí)施方式，光纖復(fù)用得到應(yīng)用。圖4所示的本發(fā)明實(shí)施方式的光子TR信標(biāo)150的運(yùn)轉(zhuǎn)與圖3所示的幾乎相同。但是，第一和第二纖維光纜120a和120b合并到一個(gè)單模纖維(SMF) 120e，其被連接到波分模塊(WDM) 180。WDM180可用于結(jié)合和分離不同頻率的不同信號(hào)，它們都可沿SMF 120e傳輸(例如，在一個(gè)端口結(jié)合兩種不同的光信號(hào)，并在另一個(gè)端口分開所接收到兩種不同的光信號(hào))。例如，兩種不同的光信號(hào)可以包括一個(gè)正向信號(hào)和反向信號(hào)，它們都可在其中的信息沒(méi)有損失的情況下沿著單纖維光纜120e進(jìn)行傳輸(例如，以最小的串?dāng)_和/或免于電磁干擾和射頻干擾)。類似的WDM 可與天線元件20、天線陣列電子控制器110、和/或信標(biāo)10聯(lián)合應(yīng)用。WDM180相應(yīng)的與電光調(diào)制器170和光探測(cè)器140相連接，并用于沿SMF 120e同時(shí)發(fā)送正向和反向信號(hào)。SMF 120e優(yōu)于傳統(tǒng)的銅線，因?yàn)榭墒∪ネS互連到天線陣列電子控制器110，而且可消除潛在的電磁干擾。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，用于反向或正向信號(hào)的第一通道可裝載1310 nm波長(zhǎng)的光，用于其他信號(hào)(即第一個(gè)通道上未裝載的信號(hào))的第二通道可裝載1550 nm波長(zhǎng)的光。此外，可用不同的復(fù)用技術(shù)添加另外的通道，如粗波分復(fù)用，其允許每光纖8個(gè)通道；或密集波分復(fù)用，其允許每光纖80個(gè)或以上的通道，其受到關(guān)于電光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性的系統(tǒng)問(wèn)題的局限(例如，增加復(fù)用可能需要前面提到的Peltier冷卻器的使用，從而增加了成本和復(fù)雜性)。根據(jù)需要，類似的積極復(fù)用方案可用來(lái)減少在相鄰的光子TR信標(biāo)之間的光纖鏈路。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可能在缺少?gòu)?fù)用的情況下應(yīng)用，其中單獨(dú)的纖維光纜被用來(lái)為每個(gè)通道或光纖的提供動(dòng)力支持。此外，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，前面的只是作為例子給出，并且本發(fā)明不限于此。還應(yīng)指出的是，另外的射頻輻射元件(例如，信標(biāo)10)可被添加到光子TR信標(biāo)150 并連接到發(fā)射/接收模塊160，以產(chǎn)生一個(gè)信標(biāo)陣列10a。由于天線陣列結(jié)構(gòu)30大小的增加，天線陣列電子控制器110之間的距離也會(huì)增加，其中信標(biāo)10或信標(biāo)陣列IOa與天線陣列電子控制器110相連。因此，用以運(yùn)行具有前面所述特征的系統(tǒng)所需的電纜和波導(dǎo)的數(shù)量也可能會(huì)增加，從而造成系統(tǒng)重量的增加和信號(hào)質(zhì)量的潛在下降。通過(guò)使用纖維光纜120，重量和信號(hào)損失問(wèn)題，以及由于距離的變化與系統(tǒng)的性能靈敏度相關(guān)的問(wèn)題，可得到解決。雖然本發(fā)明已特別展現(xiàn)并參照典型實(shí)施方式進(jìn)行了描述，應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離由隨后的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可將不同的實(shí)施方式的特征相結(jié)合以形成其他的實(shí)施方式，也可在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其包括可調(diào)節(jié)的信標(biāo)，其配置成用信標(biāo)信號(hào)照明天線元件陣列的至少一部分；元件定位器，其連接到天線元件，并被配置用來(lái)測(cè)定天線陣列的一個(gè)測(cè)試元件相對(duì)于一個(gè)參考元件的位置，測(cè)定基于被測(cè)試元件和參考元件所感知的信標(biāo)信號(hào)并利用射頻相位感應(yīng)來(lái)完成；連接在可調(diào)信標(biāo)和元件定位器之間的波束轉(zhuǎn)向單元，其配置成使可調(diào)信標(biāo)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于測(cè)試元件的測(cè)定位置的調(diào)節(jié)信標(biāo)信號(hào)或一個(gè)被波束轉(zhuǎn)向單元感知的天線信噪比；光響應(yīng)元件，其連接到可調(diào)信標(biāo)，并配置成為可調(diào)信標(biāo)提供動(dòng)力；以及一個(gè)光源，其配置為照明光響應(yīng)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中，可調(diào)信標(biāo)包含多個(gè)發(fā)射元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其還包括橫向相機(jī)和一個(gè)用來(lái)定位可調(diào)信標(biāo)相對(duì)于慣性平臺(tái)的位置的慣性測(cè)量單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其還包括一個(gè)全球定位系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)用來(lái)定位慣性平臺(tái)的散射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)全球定位系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)散射器，利用一個(gè)估算算法來(lái)預(yù)測(cè)慣性平臺(tái)的位置并將其相應(yīng)的信息外推至波束轉(zhuǎn)向單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中所述元件定位器包括相移器，其連接到測(cè)試元件和參考元件，并配置成將測(cè)試元件和參考元件所接收的信標(biāo)信號(hào)的感應(yīng)相位轉(zhuǎn)換成為相移信號(hào)；解碼器，其連接到相移器，并配置用來(lái)解碼相移信號(hào)，并將相移信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位測(cè)定信號(hào)；以及連接到解碼器的相位解析設(shè)備，其配置用來(lái)把相位測(cè)定信號(hào)轉(zhuǎn)換成與測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的測(cè)定位置對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中所述元件定位器還包括連接在相移器、測(cè)試元件、參考元件之間的一個(gè)或多個(gè)放大器，所述放大器配置用來(lái)放大所感知的相位并將被放大的感知的相位傳遞到相移器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中所述元件定位器包括相移器，其用獨(dú)特的頻率偏移調(diào)節(jié)，所述頻率偏移對(duì)應(yīng)于被配置為直接測(cè)量相對(duì)于參考元件的相位的測(cè)試元件的相位的信標(biāo)信號(hào)；以及連接到相移器的相位解析設(shè)備，其配置成將直接測(cè)量的測(cè)試元件和參考元件的相位轉(zhuǎn)換成與參考元件相對(duì)的測(cè)試元件的測(cè)定位置相對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其中，所述光源是一個(gè)連接到為激光提供動(dòng)力的光電設(shè)備的激光。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其還包括連接在波束轉(zhuǎn)向控制單元和信標(biāo)之間的第一波分模塊以及連接在波束轉(zhuǎn)向控制單元和元件定位器之間的第二波分模塊，其中，波分模塊在第一端口通過(guò)電光調(diào)制器和光電檢測(cè)器被連接到信標(biāo)和元件定位器，在第二端口通過(guò)光纖和天線陣列電子控制器彼此連接。
11.一種配置天線陣列系統(tǒng)的方法，該天線陣列系統(tǒng)具有一個(gè)用于測(cè)定天線陣列的天線元件的物理位移的信標(biāo)，該方法包括 用信標(biāo)產(chǎn)生的信標(biāo)信號(hào)照明天線元件； 產(chǎn)生多個(gè)與被天線元件感應(yīng)到的信標(biāo)信號(hào)相應(yīng)的信號(hào)；使用射頻相位感應(yīng)技術(shù)基于多個(gè)信號(hào)來(lái)測(cè)定天線元件中的測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的位置；基于測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的測(cè)定位置，執(zhí)行波束轉(zhuǎn)向校正，以成形并指出信標(biāo)信號(hào)，以更有效地照明天線元件，和用光給信標(biāo)提供動(dòng)力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述信標(biāo)信號(hào)包括多個(gè)同步音調(diào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的位置由以下方法測(cè)定用獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制多個(gè)信號(hào)以產(chǎn)生相移信號(hào)，該獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)速度與多個(gè)同步音調(diào)的頻率偏移相對(duì)應(yīng)；測(cè)定與測(cè)試元件相應(yīng)的相移信號(hào)的第一相移信號(hào)和與參考元件相應(yīng)的相移信號(hào)的第二相移信號(hào)之間的相位差；然后解析相位差以生成位置數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，測(cè)定在第一相移信號(hào)與第二相移信號(hào)之間的相位差包括匯總相移信號(hào)以生成一個(gè)打包信號(hào)； 下轉(zhuǎn)換該打包信號(hào)以生成一個(gè)混合信號(hào)； 數(shù)字化該混合信號(hào)來(lái)生成一個(gè)數(shù)字化信號(hào)；然后用快速傅里葉變換處理該數(shù)字信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中多個(gè)信號(hào)被放大。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其還包括補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于預(yù)測(cè)的陣列位移和預(yù)測(cè)的傳播參數(shù)的相位差；和計(jì)算相位延遲和時(shí)間延遲來(lái)改善位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中多種同步音調(diào)包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的頻段。
18.根據(jù)權(quán)利要求17中的方法，其中一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立頻段包含X波段和UHF。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其還包括用橫向相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量單元將信標(biāo)相位對(duì)于慣性平臺(tái)進(jìn)行定位； 使用一個(gè)全球定位系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)散射器將慣性平臺(tái)相對(duì)于地球上的位置進(jìn)行定位。
20.一種配置天線陣列系統(tǒng)的方法，該天線陣列系統(tǒng)具有一個(gè)用于測(cè)定天線陣列的天線元件的物理位移的信標(biāo)，該方法包括從一個(gè)信標(biāo)中發(fā)出一個(gè)信標(biāo)信號(hào)，該信標(biāo)信號(hào)包括在UHF波段和X波段的多個(gè)同步音調(diào)；用信標(biāo)信號(hào)照明天線元件；產(chǎn)生與被天線元件感應(yīng)到的信標(biāo)信號(hào)對(duì)應(yīng)的多個(gè)信號(hào)； 放大該多個(gè)信號(hào)；用獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制該放大的多個(gè)信號(hào)，該獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)多個(gè)同步音調(diào)的頻率偏移，由此生成相移信號(hào)；匯總相移信號(hào)以生成一個(gè)打包信號(hào)； 下轉(zhuǎn)換該打包信號(hào)以生成一個(gè)混合信號(hào)； 數(shù)字化該混合信號(hào)來(lái)生成一個(gè)數(shù)字化信號(hào)；和用快速傅里葉變換處理數(shù)字信號(hào)以生成FFT信號(hào)；用FFT信號(hào)確定與測(cè)試元件相對(duì)應(yīng)的第一相移信號(hào)和與參考元件相對(duì)應(yīng)的第二相移信號(hào)之間的相位差；解析相位差生成慣性位置數(shù)據(jù)；用慣性位置數(shù)據(jù)來(lái)確定天線陣列中測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的位置； 用橫向相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量單元確定相對(duì)于慣性平臺(tái)的信標(biāo)的位置； 用一個(gè)全球定位系統(tǒng)、一個(gè)姿態(tài)傳感器、和/或多個(gè)散射器確定相對(duì)于地球上的一個(gè)位置的慣性平臺(tái)的位置；基于相對(duì)于參考元件的測(cè)試元件的測(cè)定位置，進(jìn)行至少一個(gè)波束轉(zhuǎn)向校正，以成形并指出信標(biāo)信號(hào)，以更有效地照明天線元件，并進(jìn)行元件校正以調(diào)節(jié)天線元件的方向性；和用光為信標(biāo)提供動(dòng)力。
全文摘要
一個(gè)用于重新校準(zhǔn)信標(biāo)用于照明一個(gè)天線陣列的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括一個(gè)可調(diào)信標(biāo)，該可調(diào)信標(biāo)配置成用一個(gè)信標(biāo)信號(hào)照明天線元件陣列的至少一部分；連接到天線元件的一個(gè)元件定位器，其被配置用來(lái)定位天線元件中測(cè)試元件相對(duì)于參考元件的位置，利用射頻相位感應(yīng)，基于被測(cè)試元件和參考元件感知到的信標(biāo)信號(hào)；一個(gè)連接在可調(diào)信標(biāo)和元件定位器之間的波束轉(zhuǎn)向控制裝置，用來(lái)使可調(diào)信標(biāo)生成一個(gè)調(diào)節(jié)信標(biāo)信號(hào)，該調(diào)節(jié)信標(biāo)信號(hào)與測(cè)試元件的測(cè)定位置和由波束轉(zhuǎn)向單元所感知的天線信噪比率相對(duì)應(yīng)；一個(gè)連接到可調(diào)信標(biāo)的光響應(yīng)元件，用來(lái)為可調(diào)信標(biāo)提供動(dòng)力；一個(gè)光源，用來(lái)照明該光響應(yīng)元件。
文檔編號(hào)H01Q1/28GK102403575SQ201110181800
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者克利夫頓·全, 邁克爾·D·瓦布斯 申請(qǐng)人:雷神公司