光纖傳感器陣列及天線方向圖測(cè)量裝置、測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖傳感器陣列，屬于電磁測(cè)量、微波光子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明光纖傳感器陣列包括K級(jí)光開關(guān)陣列和與第K級(jí)光開關(guān)的各端口分別連接的一組光纖傳感器。通過控制光開關(guān)陣列的開關(guān)時(shí)序并結(jié)合相應(yīng)的延時(shí)方案實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用，可依次獲取各光纖傳感器在同一時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)。本發(fā)明還公開了一種天線方向圖測(cè)量裝置、測(cè)量方法，利用上述光纖傳感器陣列依次測(cè)量同一時(shí)間各光纖探頭處的空間電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線瞬時(shí)方向圖的測(cè)量。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)天線方向圖測(cè)量過程中金屬探頭帶來的電磁干擾，提高了空間分辨率、測(cè)量精確度和測(cè)量速度。此外，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)的天線瞬時(shí)方向圖測(cè)量，使得脈沖雷達(dá)方向圖的測(cè)量成為可能。
【專利說明】光纖傳感器陣列及天線方向圖測(cè)量裝置、測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感器陣列，尤其涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)分復(fù)用技術(shù)的光纖傳感器陣列及使用其的天線方向圖測(cè)量裝置、測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天線能夠?qū)崿F(xiàn)微波信號(hào)的發(fā)射和接收，是無線通信、探測(cè)及遙感等諸多應(yīng)用不可或缺的器件。方向圖是評(píng)價(jià)天線性能的關(guān)鍵指標(biāo)，在天線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注。近年來，各種應(yīng)用對(duì)天線的性能要求越來越高，迫使方向圖的測(cè)量向著高分辨率、高精度和高實(shí)時(shí)發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)的天線方向圖測(cè)量裝置采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)天線作為接收裝置，其面臨的主要挑戰(zhàn)如下:
[0004](I)接收天線基于金屬材料實(shí)現(xiàn)，必然會(huì)對(duì)待測(cè)天線輻射的電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，使得測(cè)量結(jié)果存在較大誤差；
[0005](2)受限于接收天線的工作帶寬，該方法無法實(shí)現(xiàn)寬帶方向圖的測(cè)量；
[0006](3)在天線方向圖測(cè)量時(shí)，需輔以精密的設(shè)備移動(dòng)接收天線或轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)天線，成本高昂、測(cè)量速度慢、且無法測(cè)量出天線的實(shí)時(shí)響應(yīng)；
[0007] 為解決上述問題，1980年，Y.Hamasaki利用基于電光效應(yīng)的傳感器代替標(biāo)準(zhǔn)接收天線來測(cè)量強(qiáng)電場(chǎng)[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(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了微弱電磁場(chǎng)的高精確測(cè)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.]。由于電光傳感器一般基于介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，上述方法大幅度減少了標(biāo)準(zhǔn)天線在測(cè)量過程中引入的電磁干擾。同時(shí)電光傳感器的口徑非常小，可有效提高方向圖的空間分辨率。但這些方法還必須采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行空間掃描，無法實(shí)現(xiàn)天線方向圖的實(shí)時(shí)、快速和精確測(cè)量。要想實(shí)時(shí)測(cè)量天線的方向圖，一個(gè)有效的途徑是將多個(gè)電光探頭組合成密集的探頭陣列對(duì)空間各點(diǎn)的電磁場(chǎng)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。在這樣的系統(tǒng)，如若每一個(gè)探頭都對(duì)應(yīng)一套微弱信號(hào)探測(cè)裝置，難以實(shí)現(xiàn)各探頭數(shù)據(jù)的有效同步，系統(tǒng)復(fù)雜龐大、成本異常昂貴。因此，必須采用某種復(fù)用方式，使用一套或者若干套微弱信號(hào)探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)探頭信息的采集。2006年，J.N.Blake采用光脈沖時(shí)分復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量[J.N.Blake, F.Rahmatian, A.H.Rose “Time division multiplexed optical measuring system，，U.S.Patent7, 009, 378[P].2006-3-7.]。該方法利用低占空比的光脈沖代替直流光信號(hào)，經(jīng)微波頻率調(diào)制后，由分光器分成多路，在電場(chǎng)傳感器處分別攜帶上空間各處的電場(chǎng)信息，然后通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)，將不同傳感器的數(shù)據(jù)分插到脈沖的不同時(shí)隙中，從而可用一套微弱信號(hào)探測(cè)裝置進(jìn)行串行處理。該方法的主要問題為:①要使光脈沖在復(fù)用時(shí)沒有脈間串?dāng)_，要求光脈沖的邊緣十分陡峭，形狀接近矩形；但矩形脈沖的頻譜分量非常豐富，分散了待探測(cè)頻率上的能量，從而降低了探測(cè)效率或者增加了測(cè)量誤差；②要想對(duì)更多傳感器信息進(jìn)行復(fù)用，要求光脈沖的占空比非常小，以便插入更多脈沖，而低占空比的光載波脈沖難以產(chǎn)生，此外，微弱信號(hào)探測(cè)裝置中的鎖相放大器帶寬非常小(一般為百kHz量級(jí))，對(duì)占空比過低的信號(hào)甚至沒有響應(yīng)，從而降低了該方案的可擴(kuò)展性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)分復(fù)用的新型光纖傳感器陣列及使用其的天線方向圖測(cè)量裝置、測(cè)量方法。
[0009]本發(fā)明的光纖傳感器陣列，包括K級(jí)光開關(guān)陣列，K為大于等于I的整數(shù)；所述K級(jí)光開關(guān)陣列的第I級(jí)為一個(gè)IXn1的光開關(guān)，第2級(jí)為II1個(gè)IXn2的光開關(guān)，依此類推，第K級(jí)為Iv1個(gè)1 X ηκ的光開關(guān)，各級(jí)光開關(guān)依次通過帶有延時(shí)線的光纖連接，構(gòu)成一個(gè)I XU1Xn2X…Χηκ)的K級(jí)光開關(guān)陣列，其中ηι、η2、…、％均為大于I的整數(shù)；所述K級(jí)光開關(guān)陣列第K級(jí)的U1Xn2X…Χηκ)個(gè)端口各自通過帶有延時(shí)線的光纖與一個(gè)光纖傳感器連接；其中，與第i級(jí)中每一個(gè)IXni光開關(guān)的ni個(gè)端口中的第j個(gè)端口所連接的延時(shí)線的延時(shí)長度為(j_l) Xni+1X…XnKXT，i=l，2，…，K，j=l，2，…，ni； T為預(yù)設(shè)的時(shí)隙寬度，為一定值。
[0010]進(jìn)一步地,所述光纖傳感器為基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器。
[0011]本發(fā)明的天線方向圖測(cè)量裝置，包括光源、本地振蕩器、電光調(diào)制器、三端口環(huán)形器、射頻振蕩器、混頻器、光電探測(cè)器、鎖相放大器、主控單元，以及如上所述光纖傳感器陣列；所述三端口環(huán)形器的1、2、3端口分別與光纖傳感器陣列中的K級(jí)光開關(guān)陣列的第I級(jí)光開關(guān)、光電探測(cè)器的輸入端、電光調(diào)制器的光輸出端連接，電光調(diào)制器的光輸入端、微波信號(hào)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(gè)輸入端連接，混頻器的另一個(gè)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(hào)輸入端連接，鎖相放大器的輸入端、輸出端分別與光電探測(cè)器的輸出端、主控單元連接，所述主控單元還與K級(jí)光開關(guān)陣列中各光開關(guān)的控制端分別連接。
[0012]本發(fā)明的天線方向圖測(cè)量方法，使用上述天線方向圖測(cè)量裝置，將待測(cè)天線與所述射頻振蕩器連接，并將所述光纖傳感器陣列置于待測(cè)天線的輻射范圍內(nèi)；主控單元按照以下方法對(duì)所述K級(jí)光開關(guān)陣列中的各光開關(guān)進(jìn)行控制:對(duì)第i (i=l，2，…，K)級(jí)中的每一個(gè)IXni光開關(guān)，從Iii個(gè)端口的第I個(gè)端口開始，在XnK)T的測(cè)量周期內(nèi)按照固定的時(shí)間間隔\依次選通；所述固定的時(shí)間間隔\按照下式確定:
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種光纖傳感器陣列，其特征在于，包括#級(jí)光開關(guān)陣列I為大于等于I的整數(shù)；所述#級(jí)光開關(guān)陣列的第I級(jí)為一個(gè)IXn1的光開關(guān)，第2級(jí)為Z7l個(gè)IXfl2的光開關(guān)，依此類推，第#級(jí)為/^1個(gè)I X&的光開關(guān)，各級(jí)光開關(guān)依次通過帶有延時(shí)線的光纖連接，構(gòu)成一個(gè)IX O7lXfl2X…X&)的#級(jí)光開關(guān)陣列，其中4、/^、…、&均為大于I的整數(shù)；所述#級(jí)光開關(guān)陣列第#級(jí)的(AXAX…Χ&)個(gè)端口各自通過帶有延時(shí)線的光纖與一個(gè)光纖傳感器連接；其中，與第i級(jí)中每一個(gè)IXfli光開關(guān)的個(gè)端口中的第J'個(gè)端口所連接的延時(shí)線的延時(shí)長度為C/-1) X/?i+1X-X&XT，i=l，2，…，K，j=\，2,…，巧，T為預(yù)設(shè)的時(shí)隙寬度，為一定值。
2.如權(quán)利要求1所述光纖傳感器陣列，其特征在于，所述光纖傳感器為基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器。
3.一種天線方向圖測(cè)量裝置，其特征在于，包括光源、本地振蕩器、電光調(diào)制器、三端口環(huán)形器、射頻振蕩器、混頻器、光電探測(cè)器、鎖相放大器、主控單元，以及如權(quán)利要求2所述光纖傳感器陣列；所述三端口環(huán)形器的1、2、3端口分別與光纖傳感器陣列中的#級(jí)光開關(guān)陣列的第I級(jí)光開關(guān)、光電探測(cè)器的輸入端、電光調(diào)制器的光輸出端連接，電光調(diào)制器的光輸入端、微波信號(hào)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(gè)輸入端連接，混頻器的另一個(gè)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(hào)輸入端連接，鎖相放大器的輸入端、輸出端分別與光電探測(cè)器的輸出端、主控單元連接，所述主控單元還與#級(jí)光開關(guān)陣列中各光開關(guān)的控制端分別連接。
4.一種天線方向圖測(cè)量方法，使用權(quán)利要求3所述天線方向圖測(cè)量裝置，其特征在于，將待測(cè)天線與所述射頻振蕩器連接，并將所述光纖傳感器陣列置于待測(cè)天線的輻射范圍內(nèi)；主控單元按照以下方法對(duì)所述#級(jí)光開關(guān)陣列中的各光開關(guān)進(jìn)行控制:對(duì)第i (i=l，.2，…，K、級(jí)中的每 一個(gè)I Xfli光開關(guān)，從巧個(gè)端口的第I個(gè)端口開始，在G1 Xfl2X…Xnx)T的測(cè)量周期內(nèi)按照固定的時(shí)間間隔h依次選通；所述固定的時(shí)間間隔h按照下式確定:
【文檔編號(hào)】G01R29/10GK103913645SQ201410126526
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】潘時(shí)龍, 徐威遠(yuǎn), 朱丹, 張方正, 薛敏 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)