CN104062981A - 一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法和系统，是基于太赫兹频段空间位置信息交换的开环和单脉冲跟踪技术的闭环两级跟踪技术，采用太赫兹全向天线交换双方的经度、纬度、海拔，以引导伺服执行机构实现开环对准，将目标引入不大于5°的空间角范围内，然后通过单脉冲跟踪技术，将跟踪精度提高到百分之一度，并通过自动控制系统实现双方的高精度闭环实时跟踪；本发明可实现窄波束无线通信系统的自动对准；对准速度快，全程无需人工参与；完全采用电子自动化，对准精度高；本发明使太赫兹无线通信系统可用于移动平台间的通信，并实现双方天线的实时对准跟踪；完全采用电子结构，体积和重量可以做得很小，安装方便，应用灵活。

Description

一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法和系统

技术领域

本发明涉及太赫兹通信与雷达技术，具体是一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法和系统。

背景技术

太赫兹是指频率在0.1THz到10THz的电磁波，可用于高速无线通信应用。由于太赫兹收发系统天线波束很窄（通常在1°以下），进行高速无线通信前需要进行对准，以建立太赫兹链路。现有的太赫兹无线通信收发机系统，如图1所示，其手动对准机构如图2-3所示，包括方位向调节旋钮和俯仰向调节旋钮。手动对准时，通信收发双方由人工通过光学手段（望远镜）进行初始大致对准，然后对方位向以1°步长在加减若干角度范围内进行微调，每一步长使用功率计监视接收信号的功率，得到方位角－功率曲线。曲线最大值处的方位角为对准时的方位角，将方位向调节到该角度。再对俯仰向重复上述过程，得到对准时的俯仰角，将俯仰向调节到该角度。此时接收信号功率达到最大，表示收发双方已经精确对准。

但是，该对准方式存在以下缺点：

1、对准时间长，对准过程麻烦。由于要对方位和俯仰两个自由度分别进行调节，即使是熟练操作人员，该过程至少也需要五至十分钟时间，对准精度难以高于1°。而且对准需求精度越高，对准时间越长；

2、远距离对准难度大。当通信距离很远，收发双方难以用光学手段发现对方时，无法完成初始对准，也就无法进行精确对准；

3、手动对准方式无法实现收发双方的自动跟踪对准，不能应用到移动平台的太赫兹收发系统中。在车载、机载等移动平台上，太赫兹无线通信收发双方需要实时跟踪对准，手动对准方式不可能实现这样的自动跟踪对准。

发明内容

本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法和系统，基于两级自动对准跟踪技术——太赫兹频段空间位置信息交换开环跟踪、太赫兹单脉冲跟踪技术闭环跟踪，采用太赫兹全向天线交换收发双方的三维空间位置信息（经度、纬度、海拔），以引导伺服执行机构实现开环对准跟踪，将目标引入不大于5°的空间角范围内，然后通过单脉冲跟踪技术，将跟踪精度提高到百分之一到千分之一度，并通过自动控制系统实现收发双方的高精度闭环实时跟踪。

本发明的技术方案如下：

一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：所述自动对准跟踪系统包括无线电台、传感器信息采集与处理模块、信息处理器、网络控制器、调制器、上变频器、混频器、太赫兹滤波器、太赫兹本振倍频链、太赫兹双工器、太赫兹和差器、自校准模块、太赫兹低噪声放大器、下变频器、解调器、跟踪测角接收机、伺服控制器、伺服执行机构；

当系统处于开环跟踪状态下，通过无线电台交换被跟踪目标和系统的位置和姿态信息；传感器信息采集与处理模块用于采集系统内各个传感器的原始数据并处理后，统一送给跟踪测角接收机；跟踪测角接收机将无线电台接收的对方空间位置以及本系统的位置和姿态信息进行综合解算，得到天线的偏角，然后将该偏角数据送给伺服控制器；伺服控制器驱动伺服执行机构，偏转天线，指向目标；在闭环跟踪状态下，天线的偏角信息通过跟踪测角接收机从下变频器输出的信号中进行提取；信息处理器用于发送和接收通信过程中交换的基带数据；调制器用于将信息处理器发来的基带数据调制到基带频率，转换为模拟信号；然后经过上变频器、太赫兹滤波器、太赫兹混频器、太赫兹双工器和太赫兹和差器，到达太赫兹天线，转换成太赫兹无线电波发射出去；太赫兹本振倍频链用于为混频器提供本振信号；接收方通过太赫兹天线接收到发射方的太赫兹波，经过太赫兹和差器、自校准模块、滤波器、太赫兹低噪声放大器、混频器、下变频器、解调器后，得到通信基带数据，送给信息处理器接收，并递交给用户，完成信息的交换，实现无线通信过程；所述网络控制器用于为后续多台设备组网通信预留的网络信息与协议处理模块，在点对点通信状态下仅做数据中转。

该自动对准跟踪系统的具体自动对准跟踪步骤如下：

当系统开机后，进入开环跟踪状态，首先，太赫兹无线收发系统收集获取系统内各个传感器所处空间的位置和姿态信息，然后发射方将获取到的自己的位置和姿态信息调制后形成中频位置信号，再将中频位置信号经过上变频得到太赫兹频段位置信号，然后将太赫兹频段位置信号辐射出去；接收方接收到发射方的太赫兹频段位置信号，将该太赫兹频段位置信号经过下变频、放大、解调处理后提取出位置信息；通过将发射方和接收方的位置信号结合进行空间坐标解算，然后得到相应的偏转角度，从而完成开环对准跟踪过程，进入开环跟踪状态。

在开环跟踪状态，进行接收信号幅度判定，若接收到超过预设阈值的接收信号，则判定目标已进入接收天线主瓣，可以进入闭环跟踪状态。在闭环跟踪状态，接受方通过接收到的发射方信号，实时计算出发射方所处的位置，用于指导伺服控制器和伺服执行机构驱动天线完成对目标的高精度实时跟踪。

所述各个传感器包括太赫兹无线收发系统内的GPS、高度计、温度计、电子罗盘、倾角仪等。

所述位置和姿态信息指经纬度、海拔、设备的航向角（偏航角）、俯仰角和横滚角。

所述伺服控制器驱动伺服执行机构令太赫兹抛物面天线对准对方。与此同时，系统通过太赫兹抛物面天线发射信号，并监测天线控制系统的状态和太赫兹无线通信链路的信号。当太赫兹数据链路可正常通信时，表示初始对准过程已完成，系统进入跟踪状态。

所述太赫兹抛物面天线安装于伺服执行机构上。

所述双工器可以使发射方和接收方同时进行自动对准过程，使双方互相获知对方的空间位置信息。

在闭环跟踪状态，发射方和接收方通过太赫兹高速无线通信链路即抛物面天线进行位置信息的交换，而不是通过全向天线。此时全向天线可以起跟踪辅助作用，避免因意外造成太赫兹高速链路的中断，而使双方出现失跟。

受发射功率限制，利用太赫兹全向天线建立的链路通信速率较低，仅起到空间位置信息交换的功能，用于辅助高增益抛物面天线的对准。

本发明的有益效果如下：

1. 可实现窄波束无线通信系统的自动对准，对准速度快。全过程无需人工参与，完全采用电子自动化技术，可以在很短的时间内实现收发双方对准。

2. 对准精度高。目前伺服执行机构的控制精度可以达到比百分之一至千分之一度的精度，控制精度远高于手动对准的精度。

3. 使太赫兹无线通信系统可用于移动平台间的通信，并实现双方天线的实时对准跟踪。

4. 完全采用电子结构，体积和重量可以做得很小，安装方便，应用灵活。

附图说明

图1为本发明的太赫兹发射机和接收机组成的无线通信链路示意图；

图2-3为本发明图1中无线通信链路的手动对准机构示意图；

图4为本发明的系统示意图。

具体实施方式

如图4所示，一种太赫兹无线收发系统，包括无线电台、传感器信息采集与处理模块、信息处理器、网络控制器、调制器、上变频器、混频器、太赫兹滤波器、太赫兹本振倍频链、太赫兹双工器、和差器、自校准模块、太赫兹低噪声放大器、下变频器、解调器、跟踪测角接收机、伺服控制器、伺服执行机构。

设备处于开环跟踪状态下，首先，太赫兹无线收发系统采用无线电台发射和接收设备的位置和姿态信息；传感器信息采集与处理模块负责采集各个传感器的原始数据并处理后，统一送给跟踪测角接收机；跟踪测角接收机将通过无线电台接收的对方空间位置以及本设备的位置和姿态信息进行综合解算，得到天线的偏角，然后将该偏角数据送给伺服控制器；伺服控制器驱动伺服执行机构，偏转天线，指向目标；在闭环跟踪状态下，天线的偏角信息通过跟踪测角接收机从下变频器输出的信号中进行提取；信息处理器用于发送和接收通信过程中交换的基带数据；调制器用于将信息处理器发来的基带数据调制到基带频率，转换为模拟信号；然后经过上变频、太赫兹滤波器、太赫兹混频器、太赫兹双工器和太赫兹和差器，到达太赫兹天线，转换成太赫兹无线电波发射出去；倍频链用于为混频器提供本振信号；接收方通过太赫兹天线接收到发射方的太赫兹波，经过和差器、自校准模块、滤波器、太赫兹低噪声放大器、混频器、下变频器、解调器后，得到通信基带数据，送给信息处理器接收，并递交给用户，完成信息的交换，实现无线通信过程。网络控制器用于为后续多台设备组网通信预留的网络信息与协议处理模块，在点对点通信状态下仅做数据中转。

所述各个传感器包括太赫兹无线收发系统内的GPS、高度计、温度计、电子罗盘、倾角仪等。

所述位置和姿态信息指经纬度、海拔、设备的航向角（偏航角）、俯仰角和横滚角。

所述伺服控制器驱动伺服执行机构令太赫兹抛物面天线对准对方。与此同时，系统通过太赫兹抛物面天线发射信号，并监测天线控制系统的状态和太赫兹无线通信链路的信号。当太赫兹数据链路可正常通信时，表示初始对准过程已完成，系统进入跟踪状态。

所述太赫兹抛物面天线安装于伺服执行机构上。

所述双工器可以使发射方和接收方同时进行自动对准过程，使双方互相获知对方的空间位置信息。

该系统的自动对准跟踪方法的步骤如下：

设备开机后进入开环跟踪状态，首先，太赫兹无线收发系统收集获取系统内各个传感器所处空间的位置和姿态信息，然后发射方将获取到的自己的位置和姿态信息调制后形成中频位置信号，再将中频位置信号经过上变频得到太赫兹频段位置信号，然后将太赫兹频段位置信号辐射出去；接收方接收到发射方的太赫兹频段位置信号，将该太赫兹频段位置信号经过下变频、放大、解调处理后提取出位置信息；通过将发射方和接收方的位置信号结合进行空间坐标解算，然后得到相应的偏转角度，从而完成开环对准跟踪过程，进入开环跟踪状态。在开环跟踪状态，进行接收信号幅度判定，若接收到超过预设阈值的接收信号，则判定目标已进入接收天线主瓣，可以进入闭环跟踪状态。在闭环跟踪状态，接受方通过接收到的发射方信号，实时计算出发射方所处的位置，用于指导伺服控制器和伺服执行机构驱动天线完成对目标的高精度实时跟踪。

在跟踪状态，发射方和接收方通过太赫兹高速无线通信链路即抛物面天线进行位置信息的交换，而不是通过全向天线。此时全向天线可以起跟踪辅助作用，避免因意外造成太赫兹高速链路的中断，而使双方出现失跟。

受发射功率限制，利用太赫兹全向天线建立的链路通信速率较低，仅起到空间位置信息交换的功能，用于辅助高增益抛物面天线的对准。

Claims (8)

1.一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法，其特征在于步骤如下：当太赫兹无线收发开机后进入开环跟踪状态，首先，太赫兹无线收发系统收集获取系统内各个传感器所处空间的位置和姿态信息，然后发射方将获取到的自己的位置和姿态信息调制后形成中频位置信号，再将中频位置信号经过上变频得到太赫兹频段位置信号，然后将太赫兹频段位置信号辐射出去；接收方接收到发射方的太赫兹频段位置信号，将该太赫兹频段位置信号经过下变频、放大、解调处理后提取出位置信息；通过将发射方和接收方的位置信号结合进行空间坐标解算，然后得到相应的偏转角度，从而完成开环对准跟踪过程，进入开环跟踪状态；在开环跟踪状态，进行接收信号幅度判定，若接收到超过预设阈值的接收信号，则判定目标已进入接收天线主瓣，进入闭环跟踪状态；在闭环跟踪状态，接受方通过接收到的发射方信号，实时计算出发射方所处的位置，用于指导伺服控制器和伺服执行机构驱动天线完成对目标的高精度实时跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法，其特征在于：所述各个传感器包括太赫兹无线收发系统内的GPS、高度计、温度计、电子罗盘、倾角仪；所述单脉冲跟踪包括太赫兹和差器、跟踪测角接收机。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪方法，其特征在于：所述位置信息指经纬度、海拔、设备的航向角、俯仰角和横滚角。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：包括无线电台、传感器信息采集与处理模块、信息处理器、网络控制器、调制器、上变频器、混频器、太赫兹滤波器、太赫兹本振倍频链、太赫兹双工器、和差器、自校准模块、太赫兹低噪声放大器、下变频器、解调器、跟踪测角接收机、伺服控制器、伺服执行机构；

该系统的自动对准跟踪流程如下：

设备处于开环跟踪状态下，采用无线电台发射和接收设备的位置和姿态信息；传感器信息采集与处理模块负责采集各个传感器的原始数据并处理后，统一送给跟踪测角接收机；跟踪测角接收机将通过无线电台接收的对方空间位置以及本设备的位置和姿态信息进行综合解算，得到天线的偏角，然后将该偏角数据送给伺服控制器；伺服控制器驱动伺服执行机构，偏转天线，指向目标；在闭环跟踪状态下，天线的偏角信息通过跟踪测角接收机从下变频器输出的信号中进行提取；信息处理器用于发送和接收通信过程中交换的基带数据；调制器用于将信息处理器发来的基带数据调制到基带频率，转换为模拟信号；然后经过上变频、太赫兹滤波器、太赫兹混频器、太赫兹双工器和太赫兹和差器，到达太赫兹天线，转换成太赫兹无线电波发射出去；倍频链用于为混频器提供本振信号；接收方通过太赫兹天线接收到发射方的太赫兹波，经过和差器、自校准模块、滤波器、太赫兹低噪声放大器、混频器、下变频器、解调器后，得到通信基带数据，送给信息处理器接收，并递交给用户，完成信息的交换，实现无线通信过程；网络控制器用于为后续多台设备组网通信预留的网络信息与协议处理模块，在点对点通信状态下仅做数据中转。

5.根据权利要求4所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：所述伺服控制器驱动伺服执行机构令太赫兹抛物面天线对准对方；同时，太赫兹无线收发系统通过太赫兹抛物面天线发射信号，并监测天线控制系统的状态和太赫兹无线通信链路的信号;当太赫兹数据链路可正常通信时，表示初始对准过程已完成，系统进入跟踪状态。

6.根据权利要求4所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：所述太赫兹抛物面天线安装于伺服执行机构上。

7.根据权利要求4所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：所述双工器使发射方和接收方同时进行自动对准过程，使双方互相获知对方的空间位置信息。

8.根据权利要求4所述的一种太赫兹无线收发系统的自动对准跟踪系统，其特征在于：在跟踪状态，发射方和接收方通过太赫兹抛物面天线进行位置信息的交换。