CN115411530A - 基于光电场传感器的电磁隐身系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光电场传感器的隐身系统，解决现有技术无法准确检测入射电磁波，实时准确实现自适应电磁隐身的问题。其包括用于保护整个系统的透波层(1)和嵌有电磁波检测模块(3)、超表面谐振模块(2)、信息处理与控制模块(5)的功能层(4)。电磁波检测模块(3)为集成光波导电场传感器用于检测入射电磁波时域信息；超表面谐振模块(2)用于调控反射电磁波；信息处理与控制模块(5)用于接收电磁波检测模块(4)的信息，计算出每个PIN二极管(13)需要的工作电压并输出到对应的PIN二极管(13)。本发明可以准确检测电磁波，不需要人为干预就可以实现快速准确的电磁隐身。
Description
技术领域
本发明属于电学领域，更进一步涉及电学领域中的一种基于光电场传感器的智能电磁隐身系统。本发明可用于实时检测入射天线辐射波，并对天线辐射波进行反射，从而实现电磁隐身的效果。
背景技术
电磁隐身技术是一种通过电磁学手段使物体在周围电磁波影响下无法被发现的技术。通过设计介质的属性来使得包含于其中的物体不被发现是电磁隐身技术的主要任务，在航天、海洋等技术领域具有非常重要的应用价值。目前的电磁隐身目前大致分为四个方向：智能蒙皮隐身、智能雷达隐身、智能光学隐身以及电磁超材料隐身。其中电磁超材料隐身由于其调控方便，成本低廉的特点被广泛应用。根据电磁超材料单元的功能，电磁超材料隐身目前大致可分为两个方向：反射波散射超材料隐身、吸波超材料隐身。其中，反射波散射超材料隐身是通过调控反射波束指向从而实现电磁隐身，吸波超材料隐身是通过超材料对热射天线辐射波进行吸收，从而实现电磁隐身。想要实现电磁隐身，准确的检测到入射电磁波是不可缺少的前提。而电磁波作为一种看不见摸不着的物质，则需要借助一些工具来进行检测。目前在工程实践中，大多都是采用外加感应天线的办法来解决，其存在的问题是抗干扰能力弱，工作频段较窄。
上海大学在其申请的专利文献“一种电磁能量感知的智能隐身超表面”(申请号：CN202110160956.8，申请公开号：CN 112993584 A)中公布了一种电磁能量感知的智能隐身超表面。该超表面采用了一种吸透一体超材料，该智能隐身超表面的整个系统由超表面、能量感知模块以及微控制器组成，其工作方法为首先由电磁能量感知模块检测入射电磁波的电磁特性，并将电磁特性反馈给微控制器；微控制器根据电磁特性控制PIN二极管的电压值，以切换超表面的工作状态，该电磁能量感知模块为感应天线后接检波电路的方法。该智能隐身超表面存在的不足之处是：电磁能量感知模块采用感应天线加检波电路，该电路中的感应天线采用的是微带天线，而微带天线接收电磁波的频段范围较窄，不能实现较宽频段的电磁波检测，其检波电路芯片采用的是LTC5530芯片，该芯片原内部集成了温度补偿型肖特基二极管峰值检波器，而二极管检波器只能对大信号峰值检波，无法对小信号检波，无法实现高精度的电磁波检测。
南京大学在其申请的专利文献“一种多功能超表面及隐身天线”(申请号：CN202110366569.X，申请公开号：CN 113097735 A)中公开了一种多功能超表面及隐身天线。该隐身天线系统在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面缩减功能。可以独立实现高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减三种功能，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线。该系统的不足之处是，虽然提出了一种多功能超表面，且能实现某些特定环境下的电磁隐身，但其并没有使用电磁波检测器件，无法实现自适应电磁隐身。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于光电场传感器的智能电磁隐身系统，旨在解决现有技术中存在的无法准确检测入射电磁波，实时准确实现自适应电磁隐身的问题。
实现本发明目的的思路是：本发明采用了一种可实时准确检测入射电磁波的时域信息的光电场传感器，该传感器通过在LiNbO3衬底上设有非对称马赫-泽德干涉仪，电磁波入射时通过非对称马赫-泽德干涉仪两臂产生的出射光的相位失调信息得到电磁场信息，其具备较宽的测量范围及频率响应范围和较高的测量精度，通过光电场传感器实时检测入射电磁波的时域信息，利用信息处理模块将该时域信息转换为频域信息，利用该频域信息通过智能调控算法计算得出编码矩阵，通过控制模块将编码矩阵转换为超材料单元上PIN二极管对应的偏置电压，实现反射波束指定方向散射，以此解决现有技术中存在的无法准确检测入射电磁波的问题，快速准确实现电磁隐身。
本发明包括透波层1、功能层4、电磁波检测模块3、超表面谐振模块2、信息处理与控制模块5，其特征在于，所述透波层1与功能层4共形复合为一个复合结构；所述超表面谐振模块2为波束可重构谐振结构；电磁波检测模块3、超表面谐振模块2、信息处理与控制模块5通过定位凸起结构6固定在功能层4上；电磁波检测模块3与信息处理与控制模块5通过穿过连接孔7的数据线连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明采用了电磁波检测模块，当电磁波入射时，该模块可以得到的电磁波时域信息，通过信息处理模块利用快速傅里叶变换算法将时域信息转换为频域信息，利用频域信息通过智能波束调控算法计算得出编码矩阵，通过控制模块将编码矩阵转换为超材料单元上PIN二极管对应的偏置电压，实现反射波束指定方向散射，信息处理模块采用FPGA芯片为主控制器，可以非常迅速的实现时域频域转换及编码矩阵的计算，克服了现有技术中只能在特定环境下实现隐身，无法实现快速准确自适应电磁隐身的不足，使得本发明具备较高的响应速度与较多的使用场景。
第二，本发明的电磁波检测模块采用的是光电场传感器，该传感器通过在LiNbO3衬底上设有非对称马赫-泽德干涉仪，电磁波入射时通过非对称马赫-泽德干涉仪两臂产生的出射光的相位失调信息从而得到电磁场信息，其具备较宽的测量范围及频率响应范围，克服了现有技术感应天线工作频段窄的不足，使得本发明具备较宽的工作频段，提高系统的可实用性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的超表面谐振模块阵面俯瞰图；
图3是本发明的超材料谐振单元的示意图；
图4是本发明的超材料谐振单元的反射参数图；
图5是本发明的系统结构示意图；
图6是本发明的基于光电场传感器的智能电磁隐身系统的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
参照图1，本发明实施例中系统的整体外形是一个由透波层1与功能层4复合而成的共形复合结构，其中透波层1位于系统的上层，用于保护整个系统，功能层4位于系统的下层，功能层4上嵌有超表面谐振模块2、信息处理与控制模块5、电磁波检测模块3，超表面谐振模块2与信息处理与控制模块5通过定位凸起结构6固定在功能层4上，超表面谐振模块2位于信息处理与控制模块5上方，水平平行放置，距离为5cm，通过控制线连接，其中超表面谐振模块2用于调控反射电磁波，信息处理与控制模块5用于处理入射电磁波信息，电磁波检测模块3位于功能层的表面，用于检测入射电磁波信息，通过穿过连接孔7的数据线与信息处理与控制模块5进行数据通信。
所述透波层1位于复合结构的上层，下层为功能层4，其中功能层4设有一大一小两个凹槽，两个凹槽中间开有连接孔7；小凹槽内嵌有电磁波检测模块3，该模块由光纤通路、集成光波导电场传感器及光电探测器组成；大凹槽内分别嵌有超表面谐振模块2、信息处理与控制模块5；所述超表面谐振模块2水平平行放置信息处理与控制模块5上方；所述信息处理与控制模块5包含FPGA控制板、电压转换模块。
所述波束可重构谐振结构由多个所述亚波长有源超材料单元无缝拼接，所述的亚波长有源超材料单元由五层组成：第一层为金属谐振结构8，第二层为低损耗介质9，第三层为金属地板10，第四层为低损耗介质14，第五层为偏置电路。
所述的亚波长有源超材料单元金属谐振结构8上焊接有PIN二极管13，该PIN二极管13的工作电压为0.85V，可通过控制PIN正向电压，实现PIN二极管13的导通和截止两种状态的切换，波束可重构谐振模块呈现出不同反射性能。
参照图2，对超表面谐振模块2做进一步的描述。
所述的超表面谐振模块2为一个超表面阵面，其由多个亚波长有源超材料谐振单元分别沿x，y方向规律无缝拼接而成，本发明实施例中x，y方向均为20个，总个数为400个。
本发明所述的无缝拼接是指亚波长有源超材料谐振单元的侧面与相邻的亚波长有源超材料谐振单元的侧面之间通过粘合或紧密贴合的方式拼接在一起，从而形成一个无缝的整体。
参照图3和图4，对超表面谐振模块2中的亚波长有源超材料谐振单元做进一步的描述。
所述每个亚波长有源超材料谐振单元的尺寸小于工作电磁波波长，其周期为12mm，该单元由五层组成，从上到下依次是，第一层为金属谐振结构8，其尺寸为c＝8.5mm,w＝7mm,j＝5.8mm,k＝7.4mm，并在宽度为g＝0.8mm的缝隙两侧焊接有型号为skyworksSMP1320-079LF的PIN二极管13。第二层为等效介电常数为2.65，厚度为h1＝2mm的F4B低损耗介质9,第三层为金属地板12，第四层为等效介电常数为4.4，厚度为h2＝0.4mm的FR4低损耗介质17，第五层为由正极电压控制线15、正极扇形偏置电路14、负极电压线10、负极扇形偏置电路19组成的偏置电路。PIN二极管13的正极依次与通孔16、正极电压控制线15、正极扇形偏置电路14相连，负极依次与通孔18、负极电压线10、负极扇形偏置电路19、通孔11、金属地板12相连。通过正极电压控制线15向PIN二极管13两端加载偏置电压，进而调控亚波长有源超材料谐振单元的反射光谱(包括反射波束的幅值与相位)。所述亚波长超材料谐振单元谐振结构为形状多样的金属，不局限于图3，还可采用有源频率可重构吸波超材料谐振单元。
参照图4，所述亚波长有源超材料谐振单元的反射性能为在一定频段内的反射幅度与反射相位，图4中的横坐标为工作频率，单位为GHz，左纵坐标为反射相位，单位为度，右纵坐标为反射幅度。图4由长点线组成的曲线代表PIN二极管13处于截至状态下的反射幅度，图4由短点线组成的曲线代表PIN二级管13处于导通状态下的反射幅度，图4由实线组成的曲线代表PIN二极管13处于截至状态下的反射相位，图4由点划线组成的曲线代表PIN二极管13处于导通状态下的反射相位。在7.6GHz到8.8GHZ频段内，该亚波长有源超材料谐振单元的反射性能满足当PIN二极管11处于导通与截止两种状态下亚波长有源超材料谐振单元的反射幅值不低于0.85，反射相位相差180°左右。
参照图5，对本发明实施例系统的结构做进一步的描述。
所述的基于光电场传感器的电磁隐身系统包括透波层、功能层、电磁波检测模块、超表面谐振模块信息处理与控制模块；所述透波层用于保护整个系统；所述功能层，用于放置电磁波检测模块、超表面谐振模块和信息处理与控制模块；所述电磁波检测模块，用于探测入射电磁波信息；所述超表面谐振模块，用于调控反射波束实现系统电磁隐身；所述信息处理与控制模块，用于处理电磁波检测模块传递的电磁波信息，提供合适的电压控制二极管的截止与导通。
参照图6，对本发明实施例的工作原理做进一步的描述。
将本系统共形贴合在需要隐身的物体表面，当电磁波入射到物体表面时，电磁波检测模块3中的光电场传感器内非对称马赫-泽德干涉仪输出相位失调信息，由光电探测器根据相位失调信息得到电磁波的时域信息并发送到信息处理与控制模块FPGA控制板，将时域信息通过信息处理模块转换为电磁波频域信息，通过得到的频域信息利用智能调控算法计算得出编码矩阵，将该编码矩阵利用解码模块转换为PIN二极管13的控制信号，电压转换模块根据控制信号将电源电压转换为PIN二极管13导通状态需要的0.85V电压以及截至状态下需要0V电压，并通过亚波长有源超材料谐振单元中的正极电压控制线15将解码得到的工作电压输出到对应的PIN二极管13的正极，PIN二极管13根据电压大小得到导通与截至两种状态，亚波长有源超材料谐振单元表现出不同的反射性能，超表面谐振模块2呈现出预期的散射波束，从而降低整个系统的雷达散射截面RCS(Radar Cross section)值，进一步实现物体的电磁隐身。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明做出的若干改进和补充，这些改进和补充，也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于光电场传感器的电磁隐身系统，包括透波层(1)、功能层(4)、电磁波检测模块(3)、超表面谐振模块(2)、信息处理与控制模块(5)，其特征在于，所述透波层(1)与功能层(4)共形复合为一个复合结构；所述超表面谐振模块(2)为波束可重构谐振结构；电磁波检测模块(3)、超表面谐振模块(2)、信息处理与控制模块(5)通过定位凸起结构(6)固定在功能层(4)上；电磁波检测模块(3)与信息处理与控制模块(5)通过穿过连接孔(7)的数据线连接。
2.根据权利要求1所述的基于光电场传感器的电磁隐身系统，其特征在于，所述透波层(1)位于复合结构的上层，下层为功能层(4)，其中功能层(4)设有一大一小两个凹槽，两个凹槽中间开有连接孔(7)；小凹槽内嵌有电磁波检测模块(3)，该模块由光纤通路、集成光波导电场传感器及光电探测器组成；大凹槽内分别嵌有超表面谐振模块(2)、信息处理与控制模块(5)；所述超表面谐振模块(2)水平平行放置信息处理与控制模块(5)上方；所述信息处理与控制模块(5)包含FPGA控制板、电压转换模块。
3.根据权利要求1所述的基于光电场传感器的电磁隐身系统，其特征在于，所述波束可重构谐振结构由多个所述亚波长有源超材料单元无缝拼接，所述的亚波长有源超材料单元由五层组成：第一层为金属谐振结构(8)，第二层为低损耗介质(9)，第三层为金属地板(12)，第四层为低损耗介质(17)，第五层为偏置电路。
4.根据权利要求3所述的基于光电场传感器的电磁隐身系统，其特征在于，所述的亚波长有源超材料单元金属谐振结构(8)上焊接有PIN二极管(13)，该PIN二极管(13)的工作电压为0.85V，可通过控制PIN正向电压，实现PIN二极管(13)的导通和截止两种状态的切换，波束可重构谐振模块呈现出不同反射性能。
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| 贾丹;何应然;韩国栋;: "一种宽带吸波的隐身天线罩设计", 现代雷达, no. 03 * |
| 闫昕;梁兰菊;张雅婷;丁欣;姚建铨;: "电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展", 光谱学与光谱分析, no. 06 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115411530B (zh) | 2023-12-19 |
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