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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。实现高截获概率。实现高截获概率。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及无线电工程
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。本专利技术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。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术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。
[0006]根据本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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：
[0011][0012]m、n是指天线阵列第m行，第n列，T
p
为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
[0013][0014]t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τ
m,n,on
和τ
m,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；τ
m,n,on
表示第m行n列开关单元接通的时间点；τ
m,n,off
表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
[0015]优选的，由于周期性调制，当载频为F
c
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F
p
，F
p
＝1/T
p
，将周期函数U
m,n
(t)用傅里叶级数展开为：
[0016][0017]j是傅里叶展开后的复数单位，α
m,n,k
为第k次谐波的傅里叶系数，用下式计算：
[0018][0019]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：
[0020][0021]其中，A
m,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]；
[0022]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。
[0023]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。
[0024]根据本专利技术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：
[0025]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；
[0026]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。
[0027]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：
[0028][0029]m、n是指天线阵列第m行，第n列，T
p
为调制周期，g(t)为门函数，表达式为：
[0030][0031]t表示在一个周期内的时刻，是个变量，当时刻t属于τ
m,n,on
和τ
m,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；τ
m,n,on
表示第m行n列开关单元接通的时间点；τ
m,n,off
表示第m行n列开关单元关闭的时间点。
[0032]优选的，由于周期性调制，当载频为F
c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，T
p
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τ
m,n,on
和τ
m,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；τ
m,n,on
表示第m行n列开关单元接通的时间点；τ
m,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F
c
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F
p
，F
p
＝1/T
p
，将周期函数U
m,n
(t)用傅里叶级数展开为：j是傅里叶展开后的复数单位，α
m,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，A
m,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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹岸杰，杨勇，陆荣，成飞，孙伟，樊炜，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：