光纖傳感器陣列及天線方向圖測量裝置、測量方法

2023-06-06 11:05:16 1

光纖傳感器陣列及天線方向圖測量裝置、測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種光纖傳感器陣列，屬於電磁測量、微波光子學【技術領域】。本發明光纖傳感器陣列包括K級光開關陣列和與第K級光開關的各埠分別連接的一組光纖傳感器。通過控制光開關陣列的開關時序並結合相應的延時方案實現了時分復用，可依次獲取各光纖傳感器在同一時刻的測量數據。本發明還公開了一種天線方向圖測量裝置、測量方法，利用上述光纖傳感器陣列依次測量同一時間各光纖探頭處的空間電場強度，進而實現天線瞬時方向圖的測量。本發明克服了傳統天線方向圖測量過程中金屬探頭帶來的電磁幹擾，提高了空間解析度、測量精確度和測量速度。此外，本發明可實現傳統測量方法難以實現的天線瞬時方向圖測量，使得脈衝雷達方向圖的測量成為可能。
【專利說明】光纖傳感器陣列及天線方向圖測量裝置、測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖傳感器陣列，尤其涉及一種能夠實現時分復用技術的光纖傳感器陣列及使用其的天線方向圖測量裝置、測量方法。
【背景技術】
[0002]天線能夠實現微波信號的發射和接收，是無線通信、探測及遙感等諸多應用不可或缺的器件。方向圖是評價天線性能的關鍵指標，在天線的設計及應用中受到了廣泛的關注。近年來，各種應用對天線的性能要求越來越高，迫使方向圖的測量向著高解析度、高精度和高實時發展。
[0003]傳統的天線方向圖測量裝置採用一個標準天線作為接收裝置，其面臨的主要挑戰如下:
[0004](I)接收天線基於金屬材料實現，必然會對待測天線輻射的電磁場產生擾動，使得測量結果存在較大誤差；
[0005](2)受限於接收天線的工作帶寬，該方法無法實現寬帶方向圖的測量；
[0006](3)在天線方向圖測量時，需輔以精密的設備移動接收天線或轉動待測天線，成本高昂、測量速度慢、且無法測量出天線的實時響應；
[0007] 為解決上述問題，1980年，Y.Hamasaki利用基於電光效應的傳感器代替標準接收天線來測量強電場[Y.Hamasaki, H.Gotoh, M.Katoh, et al.「OPSEF:an optical sensorfor measurement of high electric field intensity，，, Electronics Letters, vol.16, n
0.11，pp.406-407, 1980.]。2001年，K.Yang使用電光晶體作為探頭，使用鎖相放大器放大待測信號，實現了微弱電磁場的高精確測量[K.Yang, P.B.Katehi, J.F.Whitaker 「Electricfield mapping system using an optical-fiber-based electrooptic probe，，，IEEEMicrowave and wireless Components Letters, vol.11，n0.4，pp.164-166，2001.]。由於電光傳感器一般基於介質材料實現，上述方法大幅度減少了標準天線在測量過程中引入的電磁幹擾。同時電光傳感器的口徑非常小，可有效提高方向圖的空間解析度。但這些方法還必須採用機械轉動進行空間掃描，無法實現天線方向圖的實時、快速和精確測量。要想實時測量天線的方向圖，一個有效的途徑是將多個電光探頭組合成密集的探頭陣列對空間各點的電磁場進行同時測量。在這樣的系統，如若每一個探頭都對應一套微弱信號探測裝置，難以實現各探頭數據的有效同步，系統複雜龐大、成本異常昂貴。因此，必須採用某種復用方式，使用一套或者若干套微弱信號探測裝置實現對多個探頭信息的採集。2006年，J.N.Blake採用光脈衝時分復用的方法實現了強電場的實時測量[J.N.Blake, F.Rahmatian, A.H.Rose 「Time division multiplexed optical measuring system，，U.S.Patent7, 009, 378[P].2006-3-7.]。該方法利用低佔空比的光脈衝代替直流光信號，經微波頻率調製後，由分光器分成多路，在電場傳感器處分別攜帶上空間各處的電場信息，然後通過時分復用技術，將不同傳感器的數據分插到脈衝的不同時隙中，從而可用一套微弱信號探測裝置進行串行處理。該方法的主要問題為:①要使光脈衝在復用時沒有脈間串擾，要求光脈衝的邊緣十分陡峭，形狀接近矩形；但矩形脈衝的頻譜分量非常豐富，分散了待探測頻率上的能量，從而降低了探測效率或者增加了測量誤差；②要想對更多傳感器信息進行復用，要求光脈衝的佔空比非常小，以便插入更多脈衝，而低佔空比的光載波脈衝難以產生，此外，微弱信號探測裝置中的鎖相放大器帶寬非常小(一般為百kHz量級)，對佔空比過低的信號甚至沒有響應，從而降低了該方案的可擴展性。

【發明內容】

[0008]本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術不足，提供一種能夠實現時分復用的新型光纖傳感器陣列及使用其的天線方向圖測量裝置、測量方法。
[0009]本發明的光纖傳感器陣列，包括K級光開關陣列，K為大於等於I的整數；所述K級光開關陣列的第I級為一個IXn1的光開關，第2級為II1個IXn2的光開關，依此類推，第K級為Iv1個1 X ηκ的光開關，各級光開關依次通過帶有延時線的光纖連接，構成一個I XU1Xn2X…Χηκ)的K級光開關陣列，其中ηι、η2、…、％均為大於I的整數；所述K級光開關陣列第K級的U1Xn2X…Χηκ)個埠各自通過帶有延時線的光纖與一個光纖傳感器連接；其中，與第i級中每一個IXni光開關的ni個埠中的第j個埠所連接的延時線的延時長度為(j_l) Xni+1X…XnKXT，i=l，2，…，K，j=l，2，…，ni； T為預設的時隙寬度，為一定值。
[0010]進一步地,所述光纖傳感器為基於電光效應的光纖電壓傳感器。
[0011]本發明的天線方向圖測量裝置，包括光源、本地振蕩器、電光調製器、三埠環形器、射頻振蕩器、混頻器、光電探測器、鎖相放大器、主控單元，以及如上所述光纖傳感器陣列；所述三埠環形器的1、2、3埠分別與光纖傳感器陣列中的K級光開關陣列的第I級光開關、光電探測器的輸入端、電光調製器的光輸出端連接，電光調製器的光輸入端、微波信號輸入端分別與光源、本地振蕩器連接，射頻振蕩器與混頻器的一個輸入端連接，混頻器的另一個輸入端及輸出端分別與本地振蕩器、鎖相放大器的參考信號輸入端連接，鎖相放大器的輸入端、輸出端分別與光電探測器的輸出端、主控單元連接，所述主控單元還與K級光開關陣列中各光開關的控制端分別連接。
[0012]本發明的天線方向圖測量方法，使用上述天線方向圖測量裝置，將待測天線與所述射頻振蕩器連接，並將所述光纖傳感器陣列置於待測天線的輻射範圍內；主控單元按照以下方法對所述K級光開關陣列中的各光開關進行控制:對第i (i=l，2，…，K)級中的每一個IXni光開關，從Iii個埠的第I個埠開始，在XnK)T的測量周期內按照固定的時間間隔\依次選通；所述固定的時間間隔\按照下式確定:
[0013]
【權利要求】
1.一種光纖傳感器陣列，其特徵在於，包括#級光開關陣列I為大於等於I的整數；所述#級光開關陣列的第I級為一個IXn1的光開關，第2級為Z7l個IXfl2的光開關，依此類推，第#級為/^1個I X&的光開關，各級光開關依次通過帶有延時線的光纖連接，構成一個IX O7lXfl2X…X&)的#級光開關陣列，其中4、/^、…、&均為大於I的整數；所述#級光開關陣列第#級的(AXAX…Χ&)個埠各自通過帶有延時線的光纖與一個光纖傳感器連接；其中，與第i級中每一個IXfli光開關的個埠中的第J'個埠所連接的延時線的延時長度為C/-1) X/?i+1X-X&XT，i=l，2，…，K，j=\，2,…，巧，T為預設的時隙寬度，為一定值。
2.如權利要求1所述光纖傳感器陣列，其特徵在於，所述光纖傳感器為基於電光效應的光纖電壓傳感器。
3.一種天線方向圖測量裝置，其特徵在於，包括光源、本地振蕩器、電光調製器、三埠環形器、射頻振蕩器、混頻器、光電探測器、鎖相放大器、主控單元，以及如權利要求2所述光纖傳感器陣列；所述三埠環形器的1、2、3埠分別與光纖傳感器陣列中的#級光開關陣列的第I級光開關、光電探測器的輸入端、電光調製器的光輸出端連接，電光調製器的光輸入端、微波信號輸入端分別與光源、本地振蕩器連接，射頻振蕩器與混頻器的一個輸入端連接，混頻器的另一個輸入端及輸出端分別與本地振蕩器、鎖相放大器的參考信號輸入端連接，鎖相放大器的輸入端、輸出端分別與光電探測器的輸出端、主控單元連接，所述主控單元還與#級光開關陣列中各光開關的控制端分別連接。
4.一種天線方向圖測量方法，使用權利要求3所述天線方向圖測量裝置，其特徵在於，將待測天線與所述射頻振蕩器連接，並將所述光纖傳感器陣列置於待測天線的輻射範圍內；主控單元按照以下方法對所述#級光開關陣列中的各光開關進行控制:對第i (i=l，.2，…，K、級中的每 一個I Xfli光開關，從巧個埠的第I個埠開始，在G1 Xfl2X…Xnx)T的測量周期內按照固定的時間間隔h依次選通；所述固定的時間間隔h按照下式確定:
【文檔編號】G01R29/10GK103913645SQ201410126526
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】潘時龍, 徐威遠, 朱丹, 張方正, 薛敏 申請人:南京航空航天大學