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)：
利用移動雷達(dá)的天線陣列系統(tǒng)提供改良的傳感器性能，以探測和跟蹤所關(guān)注的跨越大的距離并具有寬場的多個目標(biāo)。對于相控天線陣列，如電子掃描陣列(ESA)天線，有一個新興的生產(chǎn)大的、輕的、易彎曲的平板天線陣列的需求。推動這個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)來保持可操作性和效率。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，如在美國專利號6，954，173所示出的那樣，射頻(RF)相位感應(yīng)的概念可用于測量天線元件相互間的位移，波束轉(zhuǎn)向計算機可用于重定向轉(zhuǎn)移天線元件的焦點。然而，如果天線陣列充分扭曲，用來照明天線陣列的、由固定的喇叭型信標(biāo)產(chǎn)生的相干信號，可能無法有效地被一些天線元件所接收。另一個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量天線陣列變形的射頻信標(biāo)的被動式散射器的波導(dǎo)運行路線。然而，當(dāng)射頻信標(biāo)離天線陣列很遠(yuǎn)的時候，重量和信號品質(zhì)將會成為一個問題。另一種方法是用無線系統(tǒng)取代同軸通信。不幸的是，由于多個通道集中在包含眾多元件的一個相對較小的區(qū)域會產(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)明典型實施方式的一個方面在于提供了用以校準(zhǔn)一個或多個用來在天線陣列產(chǎn)生變形的時候觀測天線陣列的天線元件的信標(biāo)的方法。該校準(zhǔn)可改善一個或多個信標(biāo)和天線元件之間的通信。本發(fā)明典型實施方式的另一個方面在于利用相移過程來確定組成天線陣列的各個天線元件位移。本發(fā)明典型實施方式的另一個方面在于使用天線陣列的元件的確定位移來調(diào)節(jié)一個或多個信標(biāo)和/或一個或多個天線元件的信號，從而提高了陣列的效率。本發(fā)明典型實施方式的另一個方面在于利用纖維光纜通過光向一個或多個光信標(biāo)提供動力，并可使天線陣列中的天線元件和一個或多個信標(biāo)之間進(jìn)行電子通信。
根據(jù)本發(fā)明典型實施方式的一個方面，其提供了一個可重構(gòu)的天線陣列系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個通過一個信標(biāo)信號來照明天線元件的陣列的至少一部分的可調(diào)信標(biāo)；一個連接到天線元件并被配置為用來確定天線元件的一個測試元件相對于天線元件的一個參考元件的位置的元件定位器，其利用了基于能被測試元件和參考元件所感知到的信標(biāo)信號的射頻相位檢測；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)生一個與測試元件的確定位置相對應(yīng)的調(diào)節(jié)過的信標(biāo)信號以及被波束轉(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)提供動力； 以及一個被配置用來照明光響應(yīng)元件的光源?？烧{(diào)信標(biāo)可包括多個發(fā)射元件。可重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)可進(jìn)一步包括橫向相機和一慣性測量單元，所述慣性測試單元被配置為相對于慣性平臺定位可調(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的一個全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、和/或多個散射器。該全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、和/或多個散射器可用一套估算法來預(yù)測慣性平臺的位置和外推其對應(yīng)的信息至波束轉(zhuǎn)向單元。元件定位器可包括與測試元件和參考元件相結(jié)合的移相器，其被配置用來把被測試元件和參考元件接收的信標(biāo)信號的感應(yīng)相位轉(zhuǎn)換成為相移信號；解碼器，其連接移相器，并用于破解相移信號并將相移信號轉(zhuǎn)換成相位確定信號；連接至解碼器的相位解析設(shè)備，其用于將相位確定信號轉(zhuǎn)換成與測試元件相對參考元件的確定位置相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)。元件定位器可進(jìn)一步包括一個或多個放大器，所述放大器結(jié)合在相移器、測試元件、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應(yīng)于信標(biāo)信號的獨特的頻率偏移來調(diào)制的移相器，其被配置用來直接測量相對參考元件相位的測試元件相位；與移相器相結(jié)合的相位解析設(shè)備， 其用來將直接測量到的測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)與測試元件相對于參考元件的確定位置相對應(yīng)。光源可是結(jié)合至光伏器件的激光，該光伏器件被構(gòu)造用來為激光提供動力。可重構(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，波分模塊在第一個端口經(jīng)由電光調(diào)制器和光電檢測器連接到信標(biāo)和元件定位器，并在第二個端口經(jīng)由光纖和天線陣列控制電子器件連接到其他每個部分。在另一個典型的實施例中，提供了一個配置天線陣列系統(tǒng)的方法，所述天線陣列系統(tǒng)具有一個用來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)信號照明天線元件，可生成多個可被天線元件所感知的對應(yīng)于信標(biāo)信號的信號，可使用射頻相位感知技術(shù)基于多個信號確定相對于天線元件的參考元件的天線元件的測試元件的位置，在確定了相對于參考元件的測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)信號以更有效地照明天線元件，然后用光為信標(biāo)提供動力。信標(biāo)信號可包括多個同步音調(diào)。相對于參考元件的測試元件的位置，可通過調(diào)制多個信號來確定，這些信號具有獨特旋轉(zhuǎn)速度，其對應(yīng)產(chǎn)生相移信號的多個同步音調(diào)的頻率偏移，確定與測試元件相對應(yīng)的相移信號的第一相移信號和與參考元件相對應(yīng)的相移信號的第二相移信號之間的相位差，并且解析相位差以生成位置數(shù)據(jù)。確定第一相移信號和第二相移信號的相位差可包括匯總相移信號，以創(chuàng)建一個打包信號，下轉(zhuǎn)換打包信號來創(chuàng)建一個混合信號，數(shù)字化混合信號來創(chuàng)建數(shù)字化信號，并用快速傅立葉變換來處理數(shù)字化信號。多個信號可被放大。該方法可以進(jìn)一步包括補償與預(yù)測的陣列位移和預(yù)測的傳播參數(shù)相對應(yīng)的相位差，并計算相位延遲和時間延遲以提高位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。多個同步音調(diào)可包括一個或多個獨立的頻段。一個或多個獨立的的頻段可包括X波段和UHF。該方法可以進(jìn)一步包括利用橫向相機和一個慣性測量單元相對于慣性平臺定位信標(biāo)，使用一個全球定位系統(tǒng)、一個姿態(tài)傳感器和/或多個散射器相對于地球上的位置定位慣性平臺。在另一個典型實施方式中提供了一個方法，使天線陣列系統(tǒng)有一個信標(biāo)，所述信標(biāo)用來確定天線陣列中天線元件的物理偏移，該方法包括從一個信標(biāo)發(fā)射一個包含多個在 UHF波段和X波段的同步音調(diào)的信標(biāo)信號，使用信標(biāo)信號照明天線元件，當(dāng)信標(biāo)信號被天線元件感知時產(chǎn)生多個信號，放大多個信號，用對應(yīng)多個同步音調(diào)的頻率偏移的獨特旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制這些被放大的信號來產(chǎn)生相移信號，匯總相移信號以創(chuàng)建一個打包信號，下轉(zhuǎn)換打包信號來創(chuàng)建一個混合信號，數(shù)字化混合信號來創(chuàng)建數(shù)字化信號，并用快速傅立葉變換來處理數(shù)字信號以生成一個FFT信號，用FFT信號確定與測試元件相對應(yīng)的第一相移信號和與參考元件相對應(yīng)的第二相移信號之間的相位差，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)來確定天線元件的測試元件相對于天線元件的參考元件的位置，用橫向相機和一個慣性測量單元確定相對于慣性平臺的信標(biāo)的位置，用全球定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器和/ 或多個散射器基于相對于參考元件的測試元件的測定位置確定相對于地球上位置的慣性平臺的位置，進(jìn)行至少一個波束轉(zhuǎn)校正來成形并指出信標(biāo)信號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，同時用光為信標(biāo)提供動力。


本發(fā)明的附圖連同說明書，闡述了本發(fā)明典型實施方式，并配以說明，有助于解釋本發(fā)明實施方式的原理。通過參照附圖對具體實施方式
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是一個示意圖，說明了射頻相位感應(yīng)的概念；
圖2是一個示意圖，說明了本發(fā)明一個實施方式的天線陣列系統(tǒng)的各個組件； 圖3是本發(fā)明的一個實施方式的光子TR信標(biāo)的示意圖；和
圖4是本發(fā)明的另一個實施方式的光子TR的示意圖，其中，光子TR信標(biāo)電路利用多路復(fù)用器來減少與光子TR信標(biāo)相關(guān)的纖維光纜的數(shù)量。
具體實施例
假定一個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行期間或長時間使用后變形，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。天線陣列可能會經(jīng)受溫度的極端變化，熱膨脹的物理現(xiàn)象可能會導(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，這可能會降低系統(tǒng)保持信號相干性的能力。這可能會影響天線陣列結(jié)構(gòu)的性能和準(zhǔn)確性。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，一個信標(biāo)發(fā)射一個相干信號，被該信標(biāo)所發(fā)射的隨后的信號相應(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。參照圖1，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可在不同的時間接收相干信號40，因為相干信號40將從信標(biāo)10經(jīng)過更長的時間到達(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)字信號處理方法的額外計算可用來說明相干信號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40的目的，雖然這種放大器50不是本發(fā)明實際應(yīng)用所必需的。與每個天線元件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 40被天線元件20接收到的多個信號，這些信號具有相應(yīng)于所接收到的相干信號40的頻率偏移的獨特旋轉(zhuǎn)速度。相干信號40可包含多個同步音調(diào)，這些同步音調(diào)被用來進(jìn)行多個信號的調(diào)制。多個同步音調(diào)可以，例如，在X波段和UHF波段中。調(diào)制信號可以被稱為相移信號。這些相移信號然后可被發(fā)射/接收模塊(例如，合成器)70所組合(例如，匯總)， 從而創(chuàng)建一個單一信號，其可被稱為打包信號。打包信號然后可以被下轉(zhuǎn)換，并用一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器對其進(jìn)行數(shù)字化，從而創(chuàng)建也被作為數(shù)字化信號的信號。數(shù)字化信號可是一個同相正交信號。數(shù)字化信號然后可用快速傅立葉變換(FFT)90進(jìn)行處理，這可測量被天線元件20 在它們的相移頻率處所接收的多個信號中每個信號復(fù)包絡(luò)的信息，以為每個信號創(chuàng)建復(fù)雜的FFT系數(shù)。復(fù)雜的FFT系數(shù)可用于測量已接收到相干信號40的天線元件20的相位差(例如，一個測試元件和參考元件)。測得的相位差隨后可被解析，從而對應(yīng)于不同的時間(其中，天線元件20接收到相干信號)的信息可被轉(zhuǎn)換成指示兩個或多個天線元件20彼此之間的位置的信息。此外， 該系統(tǒng)使用本領(lǐng)域已知的方法來定期校正由于信道傳播所造成的相位和時間延遲。例如， 可用與天線元件20的預(yù)測位移相關(guān)的算法來計算相位補償。這些信息可能被用來(例如， 由一個波束轉(zhuǎn)向計算機100)確定是否應(yīng)對隨后的由信標(biāo)10或一個或多個天線元件20所發(fā)出的信號進(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)，那么一個與由天線元件20所發(fā)出的射頻天線信號的調(diào)節(jié)相對應(yīng)的信號可被發(fā)送至一個或多個天線元件20。前面的信息也被用來使信標(biāo)10進(jìn)行“自定位”，因為多個天線元件20的相位測量可用同樣的方式進(jìn)行組合來估算信標(biāo)10的位置。
8
一個產(chǎn)生一個單獨的相干信號40的單獨的信標(biāo)10允許系統(tǒng)確定天線元件20只在信標(biāo)10源的方向的相對位置(例如，在測試元件和參考元件之間位移的一維測定)。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測定天線元件20彼此間的相對位置 (例如，通過使用三角測量法)。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)量可更精確地測量天線元件20的位置(例如，“徹底測定”的位置測量)。雖然信標(biāo)10應(yīng)當(dāng)具有一定程度的方向性來達(dá)到直接指向一個或多個天線元件20 的目的，天線陣列結(jié)構(gòu)30的表面的變形可使得一個或多個天線元件20不能充分接收相干信號40，從而可能阻止系統(tǒng)精確的測定一個或多個天線元件20的相對位置。因此，在上述計算基礎(chǔ)上，如果信標(biāo)10的這些意向的目標(biāo)或多個目標(biāo)(例如，天線元件20)已經(jīng)移動，從一臺波束轉(zhuǎn)向計算機100中發(fā)送一個波束轉(zhuǎn)向信號到信標(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)出的相干信號可更有效地定向到信標(biāo)10 所期望的一個目標(biāo)或多個目標(biāo)上。根據(jù)可被波束轉(zhuǎn)向計算機100感知到的測量的信噪比， 波束轉(zhuǎn)向計算機100可測定是否發(fā)送一個波束轉(zhuǎn)向信號以及要發(fā)送什么類型的波束轉(zhuǎn)向信號。相干信號40可通過多種在本領(lǐng)域所熟知的方法進(jìn)行重構(gòu)。相似地，一個或多個天線元件20也可被重構(gòu)，從而從那里發(fā)出的信號可被改變以增強天線陣列30的可操作性。一旦天線陣列20的彼此間的相對位置已被測定，計量學(xué)、和/或橫向相機和一個慣性測量單元(IMU)可被用來測定一個或多個信標(biāo)10相對于一個慣性平臺的位置(例如， 在飛艇外殼內(nèi)的天線陣列結(jié)構(gòu)30和信標(biāo)10)。一個附著在慣性平臺上的姿態(tài)傳感器被用來與全球定位系統(tǒng)組合在一起來測定慣性平臺相對于地球上一點的位置。慣性平臺可用已知的大散射器的雷達(dá)地面地圖來進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，應(yīng)當(dāng)了解的是這些元件不是本發(fā)明實際應(yīng)用中所必需的。參照圖2，這些單獨的天線元件20可各自在兩個不同的頻段上運行，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，因為很多與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現(xiàn)有效運轉(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，與使用無線技術(shù)相比基本上沒有信號減弱。為把被天線元件20所接收到的射頻信號轉(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，應(yīng)使用光載信號的直接調(diào)制和/ 或外部調(diào)制方法。在直接調(diào)制中，一個發(fā)光源如170 (例如，一個激光，或一個發(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)光信號的射頻信號然后被用來直接調(diào)節(jié)偏置電流，從而以與射頻信號基本上線性的方式振幅調(diào)節(jié)光信號。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，并且射頻信號用來在其中一個分裂波束中產(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調(diào)幅光信號。相比直接調(diào)制鏈路，外部調(diào)制可以實現(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)明的一個具體實施方式
中，其中，天線元件20在X波段和UHF波段運行，外部調(diào)制激光可作為運行在X -波段的發(fā)光源170，并且直接調(diào)制激光可能用作為運行在UHF 波段的發(fā)光源170。對于外部調(diào)制激光和直接調(diào)制激光，光信號都可通過光電探測器140 (如光電二極管)轉(zhuǎn)換為射頻信號(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)。發(fā)光源130可以是太陽能的。通過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提供動力，其反過來可結(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，雖然對于本發(fā)明的應(yīng)用來講這樣的光電設(shè)備不是所必需的。在本發(fā)明的一個實施方案中，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可被安置在一個飛艇內(nèi)，而包括光電設(shè)備的太陽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)明的另一個典型實施方案，發(fā)射相干信號40的信標(biāo)是經(jīng)過連接到信標(biāo)的光響應(yīng)元件由光提供動力。光響應(yīng)元件通常是一個光電元件，或任何適于通過入射光產(chǎn)生電信號的設(shè)備。光響應(yīng)元件可由通過纖維光纜連接到光響應(yīng)元件的光源提供動力，或甚至可由一個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。參照圖3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個纖維光纜120。第一個纖維光纜120a用于接收光信號，該光信號來自天線陣列電子控制器110， 并與由信標(biāo)10發(fā)出的射頻信號相對應(yīng)(即光子TR信標(biāo)150的射頻輻射元件10)。第一纖維光纜120a連接到光電檢測器140以把光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的射頻信號，如上所述，然后射頻信號可通過發(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，從而通過另外的第二纖維光纜120b將信標(biāo)10接收到的射頻信號光學(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可接收來自波束轉(zhuǎn)向計算機100的波束轉(zhuǎn)向信號，從而使光子TR信標(biāo)150根據(jù)波束轉(zhuǎn)向信號調(diào)節(jié)射頻輻射元件10。第四纖維光纜120d可用于將動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，其將通過天線陣列電子控制器110接收動力(例如，如上所述通過太陽能)。如前所述，本發(fā)明的實施方式可在缺少第四纖維光纜 120d的情況下實施。例如，可對激光進(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。參照圖4，根據(jù)本方面的另一實施方式，光纖復(fù)用得到應(yīng)用。圖4所示的本發(fā)明實施方式的光子TR信標(biāo)150的運轉(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，它們都可沿SMF 120e傳輸(例如，在一個端口結(jié)合兩種不同的光信號，并在另一個端口分開所接收到兩種不同的光信號)。例如，兩種不同的光信號可以包括一個正向信號和反向信號，它們都可在其中的信息沒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和光探測器140相連接，并用于沿SMF 120e同時發(fā)送正向和反向信號。SMF 120e優(yōu)于傳統(tǒng)的銅線，因為可省去同軸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)明的一個實施方式中，用于反向或正向信號的第一通道可裝載1310 nm波長的光，用于其他信號(即第一個通道上未裝載的信號)的第二通道可裝載1550 nm波長的光。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個通道；或密集波分復(fù)用，其允許每光纖80個或以上的通道，其受到關(guān)于電光源的波長穩(wěn)定性的系統(tǒng)問題的局限(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)識到，本發(fā)明可能在缺少復(fù)用的情況下應(yīng)用，其中單獨的纖維光纜被用來為每個通道或光纖的提供動力支持。此外，應(yīng)該認(rèn)識到，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)量也可能會增加，從而造成系統(tǒng)重量的增加和信號質(zhì)量的潛在下降。通過使用纖維光纜120，重量和信號損失問題，以及由于距離的變化與系統(tǒng)的性能靈敏度相關(guān)的問題，可得到解決。雖然本發(fā)明已特別展現(xiàn)并參照典型實施方式進(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，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可將不同的實施方式的特征相結(jié)合以形成其他的實施方式，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，并被配置用來測定天線陣列的一個測試元件相對于一個參考元件的位置，測定基于被測試元件和參考元件所感知的信標(biāo)信號并利用射頻相位感應(yīng)來完成；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)生一個對應(yīng)于測試元件的測定位置的調(diào)節(jié)信標(biāo)信號或一個被波束轉(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)提供動力；以及一個光源，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)，其還包括橫向相機和一個用來定位可調(diào)信標(biāo)相對于慣性平臺的位置的慣性測量單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的重構(gòu)天線陣列系統(tǒng)，其還包括一個全球定位系統(tǒng)、一個姿態(tài)傳感器、和/或多個用來定位慣性平臺的散射器。
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，所述一個全球定位系統(tǒng)、一個姿態(tài)傳感器、和/或多個散射器，利用一個估算算法來預(yù)測慣性平臺的位置并將其相應(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，其連接到測試元件和參考元件，并配置成將測試元件和參考元件所接收的信標(biāo)信號的感應(yīng)相位轉(zhuǎn)換成為相移信號；解碼器，其連接到相移器，并配置用來解碼相移信號，并將相移信號轉(zhuǎn)換成相位測定信號；以及連接到解碼器的相位解析設(shè)備，其配置用來把相位測定信號轉(zhuǎn)換成與測試元件相對于參考元件的測定位置對應(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、測試元件、參考元件之間的一個或多個放大器，所述放大器配置用來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，其用獨特的頻率偏移調(diào)節(jié)，所述頻率偏移對應(yīng)于被配置為直接測量相對于參考元件的相位的測試元件的相位的信標(biāo)信號；以及連接到相移器的相位解析設(shè)備，其配置成將直接測量的測試元件和參考元件的相位轉(zhuǎn)換成與參考元件相對的測試元件的測定位置相對應(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，所述光源是一個連接到為激光提供動力的光電設(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電光調(diào)制器和光電檢測器被連接到信標(biāo)和元件定位器，在第二端口通過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)具有一個用于測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)信號照明天線元件； 產(chǎn)生多個與被天線元件感應(yīng)到的信標(biāo)信號相應(yīng)的信號；使用射頻相位感應(yīng)技術(shù)基于多個信號來測定天線元件中的測試元件相對于參考元件的位置；基于測試元件相對于參考元件的測定位置，執(zhí)行波束轉(zhuǎn)向校正，以成形并指出信標(biāo)信號，以更有效地照明天線元件，和用光給信標(biāo)提供動力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述信標(biāo)信號包括多個同步音調(diào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述測試元件相對于參考元件的位置由以下方法測定用獨特的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制多個信號以產(chǎn)生相移信號，該獨特的旋轉(zhuǎn)速度與多個同步音調(diào)的頻率偏移相對應(yīng)；測定與測試元件相應(yīng)的相移信號的第一相移信號和與參考元件相應(yīng)的相移信號的第二相移信號之間的相位差；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，測定在第一相移信號與第二相移信號之間的相位差包括匯總相移信號以生成一個打包信號； 下轉(zhuǎn)換該打包信號以生成一個混合信號； 數(shù)字化該混合信號來生成一個數(shù)字化信號；然后用快速傅里葉變換處理該數(shù)字信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中多個信號被放大。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其還包括補償對應(yīng)于預(yù)測的陣列位移和預(yù)測的傳播參數(shù)的相位差；和計算相位延遲和時間延遲來改善位置數(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)包括一個或多個獨立的頻段。
18.根據(jù)權(quán)利要求17中的方法，其中一個或多個獨立頻段包含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和一個慣性測量單元將信標(biāo)相位對于慣性平臺進(jìn)行定位； 使用一個全球定位系統(tǒng)、一個姿態(tài)傳感器、和/或多個散射器將慣性平臺相對于地球上的位置進(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)具有一個用于測定天線陣列的天線元件的物理位移的信標(biāo)，該方法包括從一個信標(biāo)中發(fā)出一個信標(biāo)信號，該信標(biāo)信號包括在UHF波段和X波段的多個同步音調(diào)；用信標(biāo)信號照明天線元件；產(chǎn)生與被天線元件感應(yīng)到的信標(biāo)信號對應(yīng)的多個信號； 放大該多個信號；用獨特的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)制該放大的多個信號，該獨特的旋轉(zhuǎn)速度對應(yīng)多個同步音調(diào)的頻率偏移，由此生成相移信號；匯總相移信號以生成一個打包信號； 下轉(zhuǎn)換該打包信號以生成一個混合信號； 數(shù)字化該混合信號來生成一個數(shù)字化信號；和用快速傅里葉變換處理數(shù)字信號以生成FFT信號；用FFT信號確定與測試元件相對應(yīng)的第一相移信號和與參考元件相對應(yīng)的第二相移信號之間的相位差；解析相位差生成慣性位置數(shù)據(jù)；用慣性位置數(shù)據(jù)來確定天線陣列中測試元件相對于參考元件的位置； 用橫向相機和一個慣性測量單元確定相對于慣性平臺的信標(biāo)的位置； 用一個全球定位系統(tǒng)、一個姿態(tài)傳感器、和/或多個散射器確定相對于地球上的一個位置的慣性平臺的位置；基于相對于參考元件的測試元件的測定位置，進(jìn)行至少一個波束轉(zhuǎn)向校正，以成形并指出信標(biāo)信號，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)提供動力。
全文摘要
一個用于重新校準(zhǔn)信標(biāo)用于照明一個天線陣列的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括一個可調(diào)信標(biāo)，該可調(diào)信標(biāo)配置成用一個信標(biāo)信號照明天線元件陣列的至少一部分；連接到天線元件的一個元件定位器，其被配置用來定位天線元件中測試元件相對于參考元件的位置，利用射頻相位感應(yīng)，基于被測試元件和參考元件感知到的信標(biāo)信號；一個連接在可調(diào)信標(biāo)和元件定位器之間的波束轉(zhuǎn)向控制裝置，用來使可調(diào)信標(biāo)生成一個調(diào)節(jié)信標(biāo)信號，該調(diào)節(jié)信標(biāo)信號與測試元件的測定位置和由波束轉(zhuǎn)向單元所感知的天線信噪比率相對應(yīng)；一個連接到可調(diào)信標(biāo)的光響應(yīng)元件，用來為可調(diào)信標(biāo)提供動力；一個光源，用來照明該光響應(yīng)元件。
文檔編號H01Q1/28GK102403575SQ201110181800
公開日2012年4月4日 申請日期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 申請人:雷神公司