CN112688770A - 基于时间调制超表面的多波束星载ais信号接收系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统和方法，包括：时间调制超表面和表面上的1比特编码单元；依次连接的馈源、低噪声放大器、混频器和本振，对接收的AIS信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域；低通滤波器和模数转换器，混频器、低通滤波器和模数转换器依次连接，对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调，实现对AIS信号的同时多波束侦收。本发明降低星载大口径天线实现难度，各独立波束覆盖的AIS小区通过空间/频率隔离，从而降低星载AIS信号截获的时隙冲突概率，实现高截获概率。
Description
技术领域
本发明涉及无线电工程技术领域，具体地，涉及一种基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统和方法。
背景技术
船舶自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS系统)是一种船舶安全系统，由岸基(基站)和船载设备共同组成，配合全球定位系统(GPS)将船舶的实际位置、船速、航向等信息通过甚高频(VHF)向附近水域及岸台广播。根据国际电信联盟(ITU)的规定，AIS信号在两个VHF频道，即CH87B(AIS1,161.975MHz)和 CH88B(AIS2,162.025MHz)上进行信息收发。对于不同的船舶，通过SOTDMA自组织时分多址协议不断广播自身的静态信息和动态信息。由于AIS信号的频点集中，而星载AIS 侦收系统的视场较大，容易收到同时、同频到来的AIS信号。在现有的系统框架下，难以将同时同频到来的AIS信号解调出来。
目前，主流降低星载AIS天线截获时隙冲突的方法主要为天线窄波束设计，专利文献CN205248435U(申请号：CN201521064444.8)公开了一种适用于星载AIS的卫星天线。所述适用于星载AIS的卫星天线包括卫星顶部金属板(1)、U形天线(2)、短路点(3)以及信号馈入点(4)；其中，所述U形天线(2)依次分为第一竖直臂(2a)、水平臂(2b)以及第二竖直臂(2c)；所述U形天线(2)所在的平面与卫星顶部金属板(1)垂直，并且所述第一竖直臂(2a)通过信号馈入点(4)连接到卫星顶部金属板(1)，所述第二竖直臂(2c)通过短路点(3)连接到卫星顶部金属板(1)。压窄天线波束在降低时隙冲突概率的同时影响了卫星对地覆盖能力，窄波束对于天线口径的需求显著增加了星载载荷的资源开销，信号域处理法在船只密集度较高区域则性能下降严重。
基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统所用的人工电磁超表面是一类周期性亚波长结构阵列，通过设计超表面的人造散射体结构和其特殊排列方式，可对外加电磁场产生相对应的响应，获得天然材料所不具备的超常物理性质，从而具有一系列新颖的电磁调控能力。基于人工编码电磁超表面的新型相控阵系统，具有轻量化、高收纳比的特点，从而可以极大降低星载大口径天线实现难度，有效减轻载荷重量。本发明基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，通过将空域编码与周期性时间调制相结合，进而以较小的系统资源开销实现同时多个波束，实现对船舶AIS信号的高效侦收。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统和方法。
根据本发明提供的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，包括：时间调制超表面阵列天线、射频子系统和基带信号处理与控制子系统；
所述时间调制超表面阵列包括时间调制超表面和表面上的1比特编码单元；
所述射频子系统包括依次连接的馈源、低噪声放大器、混频器和本振，对接收的AIS 信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域；
所述基带信号处理与控制子系统包括低通滤波器和模数转换器，所述混频器、低通滤波器和模数转换器依次连接，对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调，实现对AIS信号的同时多波束侦收。
优选的，加载在第(m,n)个一比特编码单元上的周期性相位调制信号为：
m、n是指天线阵列第m行，第n列，Tp为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τm,n,on和τm,n,off之间时，门函数结果视为1；q表示调制函数的周期数，表示第q个周期，在每个周期内是门函数；τm,n,on表示第m行n列开关单元接通的时间点；τm,n,off表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
优选的，由于周期性调制，当载频为Fc的单频信号经过一比特编码单元后，产生基波分量与各次谐波分量，且谐波间隔频率等于调制频率Fp，Fp＝1/Tp，将周期函数Um,n(t)用傅里叶级数展开为：
j是傅里叶展开后的复数单位，αm,n,k为第k次谐波的傅里叶系数，用下式计算：
优选的，对于8x8单元的时间调制超表面，接收到的第k次谐波的方向图为：
其中，Am,n为第(m,n)个单元上的幅度权，与一比特编码单元的辐射方向图、馈源方向图及位置相关，
为第(m,n)个单元的位置矢量[(m-9/2)D,(n-9/2)D,0]，
为方向矢量[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]；
通过改变第(m,n)个单元上的相位控制时序，间接地控制周期调制后产生的各次谐波的方向图。
优选的，所述时间调制超表面阵列由64个一比特反射式数字超表面单元构成，数字超表面单元上集成有PIN二极管，通过控制PIN二极管的偏置电压，使超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码0和数码1，通过优化控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，实现波束方向图综合、波束扫描以及同时多波束覆盖。
根据本发明提供的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，包括：
步骤1：通过射频子系统对接收的AIS信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域；
步骤2：对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调，实现对AIS信号的同时多波束侦收。
优选的，加载在第(m,n)个一比特编码单元上的周期性相位调制信号为：
m、n是指天线阵列第m行，第n列，Tp为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τm,n,on和τm,n,off之间时，门函数结果视为1；q表示调制函数的周期数，表示第q个周期，在每个周期内是门函数；τm,n,on表示第m行n列开关单元接通的时间点；τm,n,off表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
优选的，由于周期性调制，当载频为Fc的单频信号经过一比特编码单元后，产生基波分量与各次谐波分量，且谐波间隔频率等于调制频率Fp，Fp＝1/Tp，将周期函数 Um,n(t)用傅里叶级数展开为：
j是傅里叶展开后的复数单位，αm,n,k为第k次谐波的傅里叶系数，用下式计算：
优选的，对于8x8单元的时间调制超表面，接收到的第k次谐波的方向图为：
其中，Am,n为第(m,n)个单元上的幅度权，与一比特编码单元的辐射方向图、馈源方向图及位置相关，
为第(m,n)个单元的位置矢量[(m-9/2)D,(n-9/2)D,0]，
为方向矢量[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]；
通过改变第(m,n)个单元上的相位控制时序，间接地控制周期调制后产生的各次谐波的方向图。
优选的，所述时间调制超表面阵列由64个一比特反射式数字超表面单元构成，数字超表面单元上集成有PIN二极管，通过控制PIN二极管的偏置电压，使超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码0和数码1，通过优化控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，实现波束方向图综合、波束扫描以及同时多波束覆盖。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明所涉及的一种一比特时间调制数字编码超材料单元，具有结构简洁，易偏置控制等优点；
2)本发明所涉及的人工编码电磁超表面的新型相控阵系统，采用常规的PCB工艺，易于加工，便于量产，并具有成本低和集成度高等优点；
3)基于人工编码电磁超表面的新型相控阵系统，具有轻量化、高收纳比的特点，从而可以极大降低星载大口径天线实现难度，有效减轻载荷重量；
4)采用了时间调制技术，利用单射频通道同时实现了多个波束；
5)可对空间不同方向到来的同时同频AIS信号进行分离，提高了AIS信号的截获概率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明中基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统示意图。
图2是本发明中新型一比特数字编码超材料单元之结构示意图；
图3是本发明中新型一比特数字编码超材料单元之结构尺寸标注图；
图4是本发明中新型一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的幅频特性曲线；
图5是本发明中新型两比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的相频特性曲线；
图6为实施例二时间调制超表面产生的+1次谐波的三维方向图；
图7为实施例二时间调制超表面产生的-1次谐波的三维方向图；
图8为实施例二时间调制超表面产生的+3次谐波的三维方向图；
图9为实施例二时间调制超表面产生的-3次谐波的三维方向图；
图10为实施例二时间调制超表面产生的±1次、±3次谐波的二维方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统的设计方法，该系统包括时间调制数字编码超表面天线系统、射频子系统、基带信号处理子系统。
请参考图1，时间调制超表面阵列由64个一比特反射式数字超表面单元构成，该数字编码单元的特点是在其结构中集成了一个PIN二极管，通过对PIN二极管施加不同的偏置电压，可使超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码“0”和数码“1”，通过优化控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，可以实现波束方向图综合、波束扫描以及同时多波束覆盖等。
射频子系统主要包括馈源、低噪声放大器、混频器、本振以及模数转换器，对接收的AIS信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域。
基带信号处理与控制子系统包括FPGA、存储器、上位机接口等，主要功能是对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调等，实现对AIS信号的高效率侦收。
基于时间调制超表面实现同时多波束的原理如下。该方法采用了一比特数字编码超材料单元，利用基带信号处理与控制单元对一比特编码单元上的相位进行周期性调制。设加载在第(m,n)个一比特编码单元上的周期性相位调制信号为：
m、n是指天线阵列第m行，第n列，Tp为调制周期，g(t)为门函数，其表达式为：
t表示在一个周期内的时刻t，是个变量，当时刻t属于τm,n,on和τm,n,off之间时，门函数结果视为1；q表示调制函数的周期数，表示第q个周期，在每个周期内是门函数；τm,n,on表示第m行n列开关单元接通(即1比特编码单元数码“0”)的时间点；τm,n,off表示第m行n列开关单元关闭(即1比特编码单元数码“1”)的时间点；
由于周期性调制，当载频为Fc的单频信号经过一比特编码单元后，会产生基波分量与各次谐波分量，且谐波间隔频率等于调制频率Fp，其中Fp＝1/Tp。将周期函数Um,n(t) 用傅里叶级数展开为：
j是傅里叶展开后的复数单位，属于领域常识标识符。
其中，αm,n,k为第k次谐波的傅里叶系数，可用下式计算：
于是，对于8x8单元的时间调制超表面，其接收到的第k次谐波的方向图为：
其中，Am,n为第(m,n)个单元上的幅度权，其与一比特编码单元的辐射方向图、馈源方向图及位置相关。
为第(m,n)个单元的位置矢量[(m-9/2)D,(n-9/2)D,0]，
为方向矢量[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]。
可以看出，通过改变第(m,n)个单元上的相位控制时序，可以间接地控制周期调制后产生的各次谐波的方向图。由此，可通过优化调制时序，使得产生的基波、正负一次谐波、正负第二次谐波等的波束方向图指向空间不同方向，形成同时多波束覆盖。当同频的AIS信号从不同的波束方向进入到本发明的时间调制超表面时，其主要能量会被分配到不同的谐波分量上。这样，经过低噪声放大、下变频、模式转换后，在数字域内，可利用数字滤波器取出各谐波分量上接收的AIS信号，从而恢复从空间不同波束方向同时进入超表面的AIS信号，实现AIS信号的高截获概率接收。
实施例2：
一比特数字编码超表面单元
请同时参阅图2至图5。
图2和图3分别给出了一比特超材料单元的结构示意图及尺寸标注图，可以看到，采用了集成有PIN二极管的一比特数字编码超表面单元，单元结构包含：反射金属贴片、PIN二极管、金属地板、接地过孔、对称式中心偏置控制线、终端开路扇形枝节等。其中，为了有效减小偏置控制线对高频信号的干扰，中心偏置控制线采用对称式设计，且位于反射金属贴片的中心弱场强区域；同时，中心偏置控制线的前端上还进一步集成了终端开路的扇形枝节，以进一步提高射频信号与偏置直流之间的隔离度。通过偏置控制线对PIN二极管施加两种不同的偏置电压，使得PIN二极管呈现出导通和关闭两种不同的状态；当处于导通状态时，二极管可等效为一个串联电阻RON＝5.6Ω；当处于关闭状态时，二极管可等效为一个并联电容COFF＝4.2pF，分别对应于单元的两种反射相位响应：0度和180度，从而形成数码“0”和数码“1”两种编码状态。
图4给出了一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的幅频特性曲线；单元在两种数码态下都保持了较好的传输特性，在中心频点160MHz 处的单元损耗均小于1dB。图5给出了一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态时的相频特性曲线，在中心频率160MHz处单元在两种编码态的反射相差保持在180°附近。
实施例3：
时间调制超表面实现同时多个波束
请同时参阅图6至图10。
假定8x8单元时间调制超表面的阵元间距为半波长(93.75cm)，馈源距离超表面中心点的距离为2.5波长。设计的目标是同时形成4个波束，分别指向(15°，0°)， (15°，180°)，(45°，0°)以及(45°，180°)。即正一次谐波分量的波束指向(15°，0°)，负一次谐波分量的波束指向(15°，180°)，正三次谐波分量的波束指向(45°，0°)，负三次谐波分量的波束指向(45°，180°)。
由于时间调制超表面上的各单元到达馈源的距离不同，可近似认为由于距离引起的第(m,n)个单元上的幅度权值为
其中rm,n为第(m,n)个单元到馈源的距离。利用时间调制的方法，设第一个1比特编码单元为参考单元，调制频率为100KHz。在一个调制周期内，在(0,5us)时间范围内设置其相移量为0°，在(5us，10us)范围内设置其相移量为180°。对于第(m,n)个单元，其相对于第一个单元上的控制时序的时延为：
其中，
为第(m,n)个单元的位置，
为第一个参考单位的位置。在这种时序控制下，得到的±1次、±3次谐波的归一化方向图分别如图6、图7、图8和图9所示。
为将同时形成的四个波束方向进行对比，选取XOZ平面对三维波束方向图进行切片，得到的XOZ平面上的二维方向图如图10所示。从图中可以看出，+1次谐波分量的波束指向15°，-1次谐波分量的波束指向-15°，+3次谐波分量的波束指向+45°，-3次谐波分量的波束指向-45°。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，其特征在于，包括：时间调制超表面阵列天线、射频子系统和基带信号处理与控制子系统；
所述时间调制超表面阵列包括时间调制超表面和表面上的1比特编码单元；
所述射频子系统包括依次连接的馈源、低噪声放大器、混频器和本振，对接收的AIS信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域；
所述基带信号处理与控制子系统包括低通滤波器和模数转换器，所述混频器、低通滤波器和模数转换器依次连接，对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调，实现对AIS信号的同时多波束侦收。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，其特征在于，加载在第(m,n)个一比特编码单元上的周期性相位调制信号为：
m、n是指天线阵列第m行，第n列，Tp为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τm,n,on和τm,n,off之间时，门函数结果视为1；q表示调制函数的周期数，表示第q个周期，在每个周期内是门函数；τm,n,on表示第m行n列开关单元接通的时间点；τm,n,off表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
3.根据权利要求2所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，其特征在于，由于周期性调制，当载频为Fc的单频信号经过一比特编码单元后，产生基波分量与各次谐波分量，且谐波间隔频率等于调制频率Fp，Fp＝1/Tp，将周期函数Um,n(t)用傅里叶级数展开为：
j是傅里叶展开后的复数单位，αm,n,k为第k次谐波的傅里叶系数，用下式计算：
4.根据权利要求3所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，其特征在于，对于8x8单元的时间调制超表面，接收到的第k次谐波的方向图为：
其中，Am,n为第(m,n)个单元上的幅度权，与一比特编码单元的辐射方向图、馈源方向图及位置相关，
为第(m,n)个单元的位置矢量[(m-9/2)D,(n-9/2)D,0]，
为方向矢量[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]；
通过改变第(m,n)个单元上的相位控制时序，间接地控制周期调制后产生的各次谐波的方向图。
5.根据权利要求1所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，其特征在于，所述时间调制超表面阵列由64个一比特反射式数字超表面单元构成，数字超表面单元上集成有PIN二极管，通过控制PIN二极管的偏置电压，使超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码0和数码1，通过优化控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，实现波束方向图综合、波束扫描以及同时多波束覆盖。
6.一种基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收系统，包括：
步骤1：通过射频子系统对接收的AIS信号进行低噪声放大、下变频，再将其转换至数字域；
步骤2：对时间调制超表面上的一比特编码单元的相位进行控制和周期性调制，并对接收的AIS信号进行滤波、解调，实现对AIS信号的同时多波束侦收。
7.根据权利要求6所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，其特征在于，加载在第(m,n)个一比特编码单元上的周期性相位调制信号为：
m、n是指天线阵列第m行，第n列，Tp为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τm,n,on和τm,n,off之间时，门函数结果视为1；q表示调制函数的周期数，表示第q个周期，在每个周期内是门函数；τm,n,on表示第m行n列开关单元接通的时间点；τm,n,off表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
8.根据权利要求7所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，其特征在于，由于周期性调制，当载频为Fc的单频信号经过一比特编码单元后，产生基波分量与各次谐波分量，且谐波间隔频率等于调制频率Fp，Fp＝1/Tp，将周期函数Um,n(t)用傅里叶级数展开为：
j是傅里叶展开后的复数单位，αm,n,k为第k次谐波的傅里叶系数，用下式计算：
9.根据权利要求7所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，其特征在于，对于8x8单元的时间调制超表面，接收到的第k次谐波的方向图为：
其中，Am,n为第(m,n)个单元上的幅度权，与一比特编码单元的辐射方向图、馈源方向图及位置相关，
为第(m,n)个单元的位置矢量[(m-9/2)D,(n-9/2)D,0]，
为方向矢量[sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ]；
通过改变第(m,n)个单元上的相位控制时序，间接地控制周期调制后产生的各次谐波的方向图。
10.根据权利要求6所述的基于时间调制超表面的多波束星载AIS信号接收方法，其特征在于，所述时间调制超表面阵列由64个一比特反射式数字超表面单元构成，数字超表面单元上集成有PIN二极管，通过控制PIN二极管的偏置电压，使超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码0和数码1，通过优化控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，实现波束方向图综合、波束扫描以及同时多波束覆盖。
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