CN103913645B - 光纤传感器阵列及天线方向图测量装置、测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感器阵列，属于电磁测量、微波光子学技术领域。本发明光纤传感器阵列包括K级光开关阵列和与第K级光开关的各端口分别连接的一组光纤传感器。通过控制光开关阵列的开关时序并结合相应的延时方案实现了时分复用，可依次获取各光纤传感器在同一时刻的测量数据。本发明还公开了一种天线方向图测量装置、测量方法，利用上述光纤传感器阵列依次测量同一时间各光纤探头处的空间电场强度，进而实现天线瞬时方向图的测量。本发明克服了传统天线方向图测量过程中金属探头带来的电磁干扰，提高了空间分辨率、测量精确度和测量速度。此外，本发明可实现传统测量方法难以实现的天线瞬时方向图测量，使得脉冲雷达方向图的测量成为可能。

Description

光纤传感器阵列及天线方向图测量装置、测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器阵列，尤其涉及一种能够实现时分复用技术的光纤传感器阵列及使用其的天线方向图测量装置、测量方法。

背景技术

天线能够实现微波信号的发射和接收，是无线通信、探测及遥感等诸多应用不可或缺的器件。方向图是评价天线性能的关键指标，在天线的设计及应用中受到了广泛的关注。近年来，各种应用对天线的性能要求越来越高，迫使方向图的测量向着高分辨率、高精度和高实时发展。

传统的天线方向图测量装置采用一个标准天线作为接收装置，其面临的主要挑战如下：

(1)接收天线基于金属材料实现，必然会对待测天线辐射的电磁场产生扰动，使得测量结果存在较大误差；

(2)受限于接收天线的工作带宽，该方法无法实现宽带方向图的测量；

(3)在天线方向图测量时，需辅以精密的设备移动接收天线或转动待测天线，成本高昂、测量速度慢、且无法测量出天线的实时响应；

为解决上述问题，1980年，Y.Hamasaki利用基于电光效应的传感器代替标准接收天线来测量强电场[Y.Hamasaki,H.Gotoh,M.Katoh,et al.“OPSEF:an optical sensorfor measurement of high electric field intensity”,Electronics Letters,vol.16,no.11,pp.406-407,1980.]。2001年，K.Yang使用电光晶体作为探头，使用锁相放大器放大待测信号，实现了微弱电磁场的高精确测量[K.Yang,P.B.Katehi,J.F.Whitaker“Electricfield mapping system using an optical-fiber-based electrooptic probe”,IEEE Microwave andwireless Components Letters,vol.11,no.4,pp.164-166,2001.]。由于电光传感器一般基于介质材料实现，上述方法大幅度减少了标准天线在测量过程中引入的电磁干扰。同时电光传感器的口径非常小，可有效提高方向图的空间分辨率。但这些方法还必须采用机械转动进行空间扫描，无法实现天线方向图的实时、快速和精确测量。要想实时测量天线的方向图，一个有效的途径是将多个电光探头组合成密集的探头阵列对空间各点的电磁场进行同时测量。在这样的系统，如若每一个探头都对应一套微弱信号探测装置，难以实现各探头数据的有效同步，系统复杂庞大、成本异常昂贵。因此，必须采用某种复用方式，使用一套或者若干套微弱信号探测装置实现对多个探头信息的采集。2006年，J.N.Blake采用光脉冲时分复用的方法实现了强电场的实时测量[J.N.Blake,F.Rahmatian,A.H.Rose“Time division multiplexed optical measuring system”U.S.Patent7,009,378[P].2006-3-7.]。该方法利用低占空比的光脉冲代替直流光信号，经微波频率调制后，由分光器分成多路，在电场传感器处分别携带上空间各处的电场信息，然后通过时分复用技术，将不同传感器的数据分插到脉冲的不同时隙中，从而可用一套微弱信号探测装置进行串行处理。该方法的主要问题为：①要使光脉冲在复用时没有脉间串扰，要求光脉冲的边缘十分陡峭，形状接近矩形；但矩形脉冲的频谱分量非常丰富，分散了待探测频率上的能量，从而降低了探测效率或者增加了测量误差；②要想对更多传感器信息进行复用，要求光脉冲的占空比非常小，以便插入更多脉冲，而低占空比的光载波脉冲难以产生，此外，微弱信号探测装置中的锁相放大器带宽非常小(一般为百kHz量级)，对占空比过低的信号甚至没有响应，从而降低了该方案的可扩展性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种能够实现时分复用的新型光纤传感器阵列及使用其的天线方向图测量装置、测量方法。

本发明的光纤传感器阵列，包括K级光开关阵列，K为大于等于1的整数；所述K级光开关阵列的第1级为一个1×n₁的光开关，第2级为n₁个1×n₂的光开关，依此类推，第K级为(n₁×n₂×…×n_K-1)个1×n_K的光开关，各级光开关依次通过带有延时线的光纤连接，构成一个1×(n₁×n₂×…×n_K)的K级光开关阵列，其中n₁、n₂、…、n_K均为大于1的整数；所述K级光开关阵列第K级的(n₁×n₂×…×n_K)个端口各自通过带有延时线的光纤与一个光纤传感器连接；其中，与第i级中每一个1×n_i光开关的n_i个端口中的第j个端口所连接的延时线的延时长度为(j-1)×n_i+1×…×n_K×T，i＝1，2，…，K，j＝1，2，…，n_i，T为预设的时隙宽度，为一定值。

进一步地，所述光纤传感器为基于电光效应的光纤电压传感器。

本发明的天线方向图测量装置，包括光源、本地振荡器、电光调制器、三端口环形器、射频振荡器、混频器、光电探测器、锁相放大器、主控单元，以及如上所述光纤传感器阵列；所述三端口环形器的1、2、3端口分别与光纤传感器阵列中的K级光开关阵列的第1级光开关、光电探测器的输入端、电光调制器的光输出端连接，电光调制器的光输入端、微波信号输入端分别与光源、本地振荡器连接，射频振荡器与混频器的一个输入端连接，混频器的另一个输入端及输出端分别与本地振荡器、锁相放大器的参考信号输入端连接，锁相放大器的输入端、输出端分别与光电探测器的输出端、主控单元连接，所述主控单元还与K级光开关阵列中各光开关的控制端分别连接。

本发明的天线方向图测量方法，使用上述天线方向图测量装置，将待测天线与所述射频振荡器连接，并将所述光纤传感器阵列置于待测天线的辐射范围内；主控单元按照以下方法对所述K级光开关阵列中的各光开关进行控制：对第i(i＝1，2，…，K)级中的每一个1×n_i光开关，从n_i个端口的第1个端口开始，在(n₁×n₂×…×n_K)T的测量周期内按照固定的时间间隔t_i依次选通；所述固定的时间间隔t_i按照下式确定：

主控单元即得到T时段内(n₁×n₂×…×n_K)个光纤传感器的数据，并根据这些数据获得待测天线的方向图。

本发明利用光开关阵列结合相应的延时方案，实现了传感器阵列所采集数据的时分复用。本发明的天线方向图测量装置在进行测量时，主控单元同时控制光开关阵列并采集数据，同步实现容易，相比现有基于窄脉冲的时分复用方案，避免了对光源的过高要求。同时，在需要增加探头数目时，只需要修改探头阵列和主控单元的程序，不需要对系统主体进行改变，方便检修、扩展等操作，更具实用性。

附图说明

图1为本发明天线方向图测量装置一个具体实施例的结构示意图；

图2为本发明天线方向图测量装置另一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用光开关阵列结合相应的延时方案实现传感器阵列数据的时分复用，并基于该方案实现天线方向图的瞬时测量。

本发明的光纤传感器阵列，包括K级光开关阵列，K为大于等于1的整数；所述K级光开关阵列的第1级为一个1×n₁的光开关，第2级为n₁个1×n₂的光开关，依此类推，第K级为(n₁×n₂×…×n_K-1)个1×n_K的光开关，各级光开关依次通过带有延时线的光纤连接，构成一个1×(n₁×n₂×…×n_K)的K级光开关阵列，其中n₁、n₂、…、n_K均为大于1的整数；所述K级光开关阵列第K级的(n₁×n₂×…×n_K)个端口各自通过带有延时线的光纤与一个光纤传感器连接；其中，与第i级中每一个1×n_i光开关的n_i个端口中的第j个端口所连接的延时线的延时长度为(j-1)×n_i+1×…×n_K×T，i＝1，2，…，K，j＝1，2，…，n_i，T为预设的时隙宽度，为一定值。

上述技术方案中，光纤传感器可采用现有以及将有的各种类型光纤传感器，对电、磁、压力、气体浓度、振动、温度等物理量进行准确测量，只要根据光开关阵列的实际结构对其进行相应的延时控制，即可实现瞬时传感数据的测量。

为了克服传统天线方向图测量技术中使用金属探头所带来的电磁干扰，提高空间分辨率、测量精确度和测量速度，本发明的天线方向图测量装置优选采用基于电光效应的光纤电压传感器(为简单起见，后文简称光纤探头)，其原理是：在电场或电压的作用下，透过某些物质(如电光晶体)的光会发生双折射，而双折射两光波之间的相位差与外加电压(即被测电压)成正比，根据该原理实现电压的测量；其具体结构包括横向调制式、纵向调制式、透射式、反射式、无分压器式、组合式、双光路式、双晶体式等。

在使用上述光纤传感器阵列进行测量时，按照以下方法对所述K级光开关阵列中的各光开关进行控制：对第i(i＝1，2，…，K)级中的每一个1×n_i光开关，从n_i个端口的第1个端口开始，在(n₁×n₂×…×n_K)T的测量周期内按照固定的时间间隔t_i依次选通；所述固定的时间间隔t_i按照下式确定：

主控单元即得到T时段内(n₁×n₂×…×n_K)个光纤传感器的数据，并根据这些数据获得待测天线的方向图。

图1显示了本发明天线方向图测量装置的一个实施例，如图所示，该装置包括半导体激光器、本地振荡器、电光调制器、三端口环形器、射频振荡器、混频器、光电探测器、锁相放大器、主控单元，以及光纤传感器阵列；所述三端口环形器的1、2、3端口分别与光纤传感器阵列中的K级光开关阵列的第1级光开关、光电探测器的输入端、电光调制器的光输出端连接，电光调制器的光输入端、微波信号输入端分别与半导体激光器、本地振荡器连接，射频振荡器与混频器的一个输入端连接，混频器的另一个输入端及输出端分别与本地振荡器、锁相放大器的参考信号输入端连接，锁相放大器的输入端、输出端分别与光电探测器的输出端、主控单元连接，所述主控单元还与K级光开关阵列中各光开关的控制端分别连接。图中的实线表示电通路，虚线表示光通路。

为便于公众理解，本实施例中的光纤传感器阵列采用最简单的两级光开关阵列，如图1所示，由一个1×m的光开关作为上级光开关，m个1×n光开关作为下级，每个1×n的下级光开关均连接一个由钽酸锂(LiTaO3)晶体及两面上的高反射涂料连接光纤构成的反射式结构的光纤探头。

电光调制器将本地振荡器产生的本振信号调制到半导体激光器输出的光载波上，生成探测信号；射频振荡器为待测天线馈电，其输出信号与本地振荡信号相参；光纤探头所组成的传感器阵列受电场信号作用，将空间电场信息转移至探测信号；光电探测器将携有电场信息的光信号转换成电信号；混频器将本振信号与射频信号混频，输出中频信号；锁相放大器以中频信号为参考信号，对电信号进行放大并输入主控单元；光开关阵列用于选取光纤探头，从而实现时分复用的空间电场分布的测量；主控单元用于控制光开关，存储并处理数据和结果显示。

两级光开关阵列中的上级光开关负责选通下级各组光纤探头，下级光开关负责选通组内各光纤探头。每一测量周期均分为mn个时隙，记时隙宽为T。主控单元在mn个时隙中控制光开关，上级光开关切换周期为nT,下级光开关切换周期为T。各组内1号探头无延时送入主控单元，2号探头延时T后再送入主控单元，依此类推，后续编号为n的光纤探头延时(n-1)T。编号为1的光纤探头组无延时，编号为2的延时nT，后续编号为m的光纤探头组延时(m-1)nT。如此，主控单元将在mnT的时长里记录了T时段内mn个光纤探头测量的数据，实现了时分复用。

图2显示了本发明天线方向图测量装置的另一个实施例。如图所示，本实施例中采用的是三级光开关阵列，其余部分与上一实施例相同，其原理及工作过程此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种光纤传感器阵列，其特征在于，包括K级光开关阵列，K为大于等于1的整数；所述K级光开关阵列的第1级为一个1×n₁的光开关，第2级为n₁个1×n₂的光开关，依此类推，第K级为(n₁×n₂×…×n_K-1)个1×n_K的光开关，各级光开关依次通过带有延时线的光纤连接，构成一个1×(n₁×n₂×…×n_K)的K级光开关阵列，其中n₁、n₂、…、n_K均为大于1的整数；所述K级光开关阵列第K级的(n₁×n₂×…×n_K)个端口各自通过带有延时线的光纤与一个光纤传感器连接；其中，与第i级中每一个1×n_i光开关的n_i个端口中的第j个端口所连接的延时线的延时长度为(j-1)×n_i+1×…×n_K×T，i＝1，2，…，K，j＝1，2，…，n_i，T为预设的时隙宽度，为一定值。

2.如权利要求1所述光纤传感器阵列，其特征在于，所述光纤传感器为基于电光效应的光纤电压传感器。

3.一种天线方向图测量装置，其特征在于，包括光源、本地振荡器、电光调制器、三端口环形器、射频振荡器、混频器、光电探测器、锁相放大器、主控单元，以及如权利要求2所述光纤传感器阵列；所述三端口环形器的1、2、3端口分别与光纤传感器阵列中的K级光开关阵列的第1级光开关、光电探测器的输入端、电光调制器的光输出端连接，电光调制器的光输入端、微波信号输入端分别与光源、本地振荡器连接，射频振荡器与混频器的一个输入端连接，混频器的另一个输入端及输出端分别与本地振荡器、锁相放大器的参考信号输入端连接，锁相放大器的输入端、输出端分别与光电探测器的输出端、主控单元连接，所述主控单元还与K级光开关阵列中各光开关的控制端分别连接。

4.一种天线方向图测量方法，使用权利要求3所述天线方向图测量装置，其特征在于，将待测天线与所述射频振荡器连接，并将所述光纤传感器阵列置于待测天线的辐射范围内；主控单元按照以下方法对所述K级光开关阵列中的各光开关进行控制：对第i(i＝1，2，…，K)级中的每一个1×n_i光开关，从n_i个端口的第1个端口开始，在(n₁×n₂×…×n_K)T的测量周期内按照固定的时间间隔t_i依次选通；所述固定的时间间隔t_i按照下式确定：

主控单元即得到T时段内(n₁×n₂×…×n_K)个光纤传感器的数据，并根据这些数据获得待测天线的方向图。