CN103684612A - 一种多光束发射天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束发射天线系统，能够实现一个发射端对多个接收端的高功率远距离的能量传递。设置控制系统整体方位的转台A和单独控制每个光学相控阵天线方位和俯仰的转台B。当需要向接收端发射激光时，根据控制器提供的接收端的位置信息，转台伺服单元转动转台中的一个或多个使得光学相控阵天线瞄准接收端，以实现粗瞄准；根据传输距离和所需光斑的空间分布特征，控制器控制相控阵元的选通和波束偏转令多路发射光束指向接收端，以实现精瞄准；控制器还利用相位控制模块控制相控阵元发射光束的相位，以实现射向同一接收端的多光束非相干或相干合成。

Description

一种多光束发射天线系统

技术领域

本发明涉及精密光机电产品技术领域，具体涉及一种多光束发射天线系统，用于一台能量发射端与多台设备进行激光传能、激光通信或其他需要发射多束激光的情况。

背景技术

在一些情况下需要能量发射端同时发射多束激光，比如一对多激光传能、通信，其中比较典型的应用案例是分离模块航天器。分离模块航天器由多个“模块航天器”组成，每个模块航天器有各自的任务功能，可以独立制造及发射，航天器体系更加灵活，发射风险低、成本低，提高了系统的寿命和可靠性。在轨运行时通过无线信息及能源交换将分散的模块功能和资源高效的结合在一起。分离模块航天器通常包含一颗高成本高可靠性的资源航天器，每个资源航天器伴随多个任务航天器，资源航天器与任务航天器间通过无线的方式进行能量传递和信息交互。当前的激光传能系统是点到点的，而分离模块航天器采用多颗任务航天器包围资源航天器的圆形编队时，点到多点的传能系统是尤为需要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多光束发射天线系统，能够实现一个发射端对多个接收端的高功率远距离的能量传递。

一种多光束发射天线系统，包括转台、转台伺服单元、光学相控阵天线、光束耦合器、相位控制模块、激光发生器和控制器；

转台包括控制系统整体方位的转台A和单独控制每个光学相控阵天线方位和俯仰的转台B_i，i=1,2,...,N；N为光学相控阵天线的数量，N大于或等于3；转台B_i设置在转台A上；光学相控阵天线中相控阵元的后表面通过光束耦合器连接相位控制模块，光束耦合器将激光发生器发出的激光束耦合至相控阵元，相位控制模块根据控制器的指令控制相控阵元发射光束的相位；

当需要向接收端发射激光时，根据控制器提供的接收端的位置信息，转台伺服单元转动转台中的一个或多个使得光学相控阵天线瞄准接收端，以实现粗瞄准；根据传输距离和所需光斑的空间分布特征，控制器控制相控阵元的选通和波束偏转令多路发射光束指向接收端，以实现精瞄准；控制器还利用相位控制模块控制相控阵元发射光束的相位，以实现射向同一接收端的多光束非相干或相干合成。

优选地，所述控制器进一步用于，根据接收端的个数、位置和激光输出总功率的大小，采用如下策略进行发射控制：

当仅存在单个接收端时，分以下两种情况：

A1）一对一发射

当激光输出总功率不超过设定的单天线安全发射功率时，由与接收端方位最近的光学相控阵天线发射光束；

A2）多对一发射

当激光输出总功率超过所述单天线安全发射功率时，根据功率需要由两个或两个以上的光学相控阵天线瞄准同一接收端并共同发射；

当存在至少两个接收端时，分以下两种情况：

B1）一对多发射

当所有接收端均在某一光学相控阵天线P₁的寻址范围内，且所需提供的激光输出总功率不超过单天线安全发射功率时，由光学相控阵天线P₁发射光束，且通过控制光束偏转进行光束分配，使得每个接收端均接收到多光束；

B2）多对多发射

当所需提供的激光输出总功率超过单天线安全发射功率时，或者接收端的分布超出单个光学相控阵天线的寻址范围，则根据接收端位置和功率需求由两个或两个以上的光学相控阵天线共同发射，每个光学相控阵天线向自身寻址范围内的接收端发射光束。

优选地，当转台伺服单元转动转台对接收端瞄准时，在转动转台B_i的同时转动转台A加以配合。

优选地，所述控制器进一步用于对每路发射光束进行单独的编码调制。

优选地，N=3；3个光学相控阵天线沿圆形均匀排布于转台A上，转台B₁～B₃距离转台A中心转轴的距离相同。

优选地，控制器进一步控制发射光束的空间排布以提高光强在接收端光电池板表面的均匀度。

本发明的有益效果：

1）发射端采用激光相控阵技术，通过多束激光合成可以提高电池表面光强和光斑均匀性，从而提高光电池的光电转化效率，进一步提高激光无线传能效率并提高传能功率和传输距离。

2）可以同时发射多路传能光束为多个设备供能，并且通过转台转动在未被平台遮挡的立体角内不存在盲区；

3）可以完成瞄准、对中，具备相位控制、光束控制功能，实现多路光束的非相干、相干合成；

4）可用于激光通信发射多路通信光束，每路光束可单独编码。

附图说明

图1—本发明系统组成示意图；

图2—转台和天线部分示意图；

图3—相位控制模块与光束耦合器的连接示意图；

图4—单个天线瞄准单个目标；

图5—多个天线瞄准单个目标；

图6—单个天线瞄准多个目标；

图7—多个天线瞄准多个目标。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明原理框图，如图1所示，本发明的多光束发射天线系统包括转台、转台伺服单元、光学相控阵天线、光束耦合器、相位控制模块、激光发生器和控制器构成。

如图2所示，转台包括转台A和转台B_i，i=1,2,...,N。转台A用于控制多光束发射天线系统的整体方位。转台B_i设置在转台A上，每个转台B_i上安装一个光学相控阵天线，转台B_i用于单独位于其上的光学相控阵天线的方位和俯仰。N的值等于光学相控阵天线的数量，N大于或等于3。N的取值越大，能够同时多更多的接收端发射激光，但是天线越多，遮挡也越多，权衡考虑下本实施例采用3个光学相控阵天线，能够基本满足多接收端的传能需求，且遮挡面较小。如图2所示，本实施例中3个光学相控阵天线圆形均匀排布于转台A上，便于对各个方向上的接收端传能，转台B₁～B₃距离转台A中心转轴的距离相同。

如图3所示，光学相控阵天线中，每个相控阵元后表面连接光束耦合器，光束耦合器连接相位控制模块。光束耦合器将激光发生器发出的激光束耦合至光学相控阵天线的相控阵元。相位控制模块根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，以实现对同一目标发射多光束间的非相干或相干合成。相控阵元可以实现光束偏转，每个光学相控阵天线发射的光功率可通过光开关控制在激光发生器输出光功率的0-100%。

转台伺服单元，用于根据控制器的指令，控制转台A的方位转动，以及转台B₁～B_n的方位和俯仰转动。

当需要向接收端发射激光时，根据控制器提供的接收端的位置信息，转台伺服单元转动转台中的一个或多个使得光学相控阵天线瞄准接收端，从而完成光束的粗瞄准。根据传输距离和所需光斑的空间分布特征，控制器控制相控阵元的选通和波束偏转，令多路发射光束指向接收端，以实现精瞄准。相位控制模块根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，根据传输距离确定对射向同一接收端的多光束实施非相干合成或相干合成。

本系统的具体工作方式如下：

当发射端收到交互的请求或指令时，控制器利用转台上设置的传感器测量转台GPS位置信息以及转台方向姿态信息，并通过无线通信方式将位置信息传递给接收端；接收端同样通过无线通信方式将自身的位置信息传递给发射端。

发射端的控制器利用光学相控阵天线的位置和姿态信息以及接收端的位置信息计算获得接收端相对于发射天线的角度位置，控制转台指向接收端，并准备对目标区域进行扫描，同时，接收端利用本身的位置和姿态数据以及发射天线位置信息计算发射天线相对于自身的位置，使接收端的接收光电池板指向发射端的发射天线；接收端开启位于接收光电池板上的LED指示灯，该指示灯光将入射带有滤光片的发射端观测视场（CCD），并成灰度像；发射端的控制器控制转台转动，从而对目标区域进行扫描，直至LED指示灯在发射端接收光路观测视场中成像，此时认为光学相控阵天线瞄准接收端，粗对准完成。

接着，控制器控制相控阵元偏转将光束指向接收端，并控制光束的空间排布提高光强在光电池板表面的均匀度。相位控制单元根据控制器的指令，控制相控阵元发射光束的相位，实现射向同一接收端的光束的非相干或相干合成，以提高光束的传输距离。

控制器在进行发射控制时，根据接收端的个数、位置和激光输出总功率的大小，采用如下策略进行发射控制。

与单个接收端交互时，分为以下两种情况：

A1）一对一发射，如图4所示。

系统的激光输出总功率是由传输距离、所需光斑大小等信息决定的，当激光输出总功率不超过设定的单天线安全发射功率时，由与接收端方位最近的相控阵天线瞄准接收端并发射光束。发射时，由控制器驱动相控相控阵元使多路光束指向接收端，并根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束。

情况2，多对一发射，如图5所示。

若所需的激光输出总功率过高，由单个相控阵天线发射有损伤风险时，可根据需要有两个或三个天线瞄准同一接收端并共同发射。发射时，控制相控阵元使得每一接收端均接收多路光束，并根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束。

通过调整光学相控阵天线的俯仰角度，可在未被平台遮挡的空间内无盲区瞄准。

与多个接收端交互时，分为以下两种情况：

B1）一对多发射，如图6所示。

当所有接收端均在某一光学相控阵天线的寻址范围内，该光学相控阵天线即为P₁，且所需提供的激光输出总功率不超过单天线安全发射功率，则由光学相控阵天线P₁发射光束，且通过控制光束偏转进行光束分配，使得所有接收端均接收到光束。并且，根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束。

B2）多对多发射，如图7所示。

当所需提供的激光输出总功率超过单天线安全发射功率时，或者多接收端的分布超出单个光学相控阵天线的寻址范围，则根据接收端标位置和功率需要由两个或两个以上的光学相控阵天线共同发射，每个光学相控阵天线向自身寻址范围内的接收端发射光束。发射时，同样可以根据与接收端的相对距离采用非相干或相干合束。

多个接收端可位于不同平面内，通过调整三个光学相控阵天线的俯仰角度，可在未被平台遮挡的空间内无盲区瞄准。

对于上述四种情况，为避免转台B_i转动角度过大或降低目标变换时重定位的复杂度，可转动转台A加以配合。

从以上技术方案可以看出，发射端采用激光相控阵技术，可以完成瞄准、对中，具备相位控制、光束控制功能，实现多路光束的非相干、相干合成，能够提高激光传能的效率，提高传能功率与传能距离，并且可以同时发射多路传能光束为多个设备供能，此外在未被平台遮挡的立体角内不存在盲区，可用于激光传能、激光通信、激光武器、激光雷达等需要多光路发射的激光系统，具有广泛的应用前景。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多光束发射天线系统，其特征在于，包括转台、转台伺服单元、光学相控阵天线、光束耦合器、相位控制模块、激光发生器和控制器；

转台包括控制系统整体方位的转台A和单独控制每个光学相控阵天线方位和俯仰的转台B_i，i=1,2,...,N；N为光学相控阵天线的数量，N大于或等于3；转台B_i设置在转台A上；光学相控阵天线中相控阵元的后表面通过光束耦合器连接相位控制模块，光束耦合器将激光发生器发出的激光束耦合至相控阵元，相位控制模块根据控制器的指令控制相控阵元发射光束的相位；

当需要向接收端发射激光时，根据控制器提供的接收端的位置信息，转台伺服单元转动转台中的一个或多个使得光学相控阵天线瞄准接收端，以实现粗瞄准；根据传输距离和所需光斑的空间分布特征，控制器控制相控阵元的选通和波束偏转令多路发射光束指向接收端，以实现精瞄准；控制器还利用相位控制模块控制相控阵元发射光束的相位，以实现射向同一接收端的多光束非相干或相干合成。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步用于，根据接收端的个数、位置和激光输出总功率的大小，采用如下策略进行发射控制：

当仅存在单个接收端时，分以下两种情况：

A1）一对一发射

当激光输出总功率不超过设定的单天线安全发射功率时，由与接收端方位最近的光学相控阵天线发射光束；

A2）多对一发射

当激光输出总功率超过所述单天线安全发射功率时，根据功率需要由两个或两个以上的光学相控阵天线瞄准同一接收端并共同发射；

当存在至少两个接收端时，分以下两种情况：

B1）一对多发射

当所有接收端均在某一光学相控阵天线P₁的寻址范围内，且所需提供的激光输出总功率不超过单天线安全发射功率时，由光学相控阵天线P₁发射光束，且通过控制光束偏转进行光束分配，使得每个接收端均接收到多光束；

B2）多对多发射

当所需提供的激光输出总功率超过单天线安全发射功率时，或者接收端的分布超出单个光学相控阵天线的寻址范围，则根据接收端位置和功率需求由两个或两个以上的光学相控阵天线共同发射，每个光学相控阵天线向自身寻址范围内的接收端发射光束。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当转台伺服单元转动转台对接收端瞄准时，在转动转台B_i的同时转动转台A加以配合。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步用于对每路发射光束进行单独的编码调制。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，N=3；3个光学相控阵天线沿圆形均匀排布于转台A上，转台B₁～B₃距离转台A中心转轴的距离相同。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，控制器进一步控制发射光束的空间排布以提高光强在接收端光电池板表面的均匀度。

Images