本发明涉及通信技术领域，特别是指一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统和方法。
背景技术：
轨道角动量(oam)是电磁波角动量(自旋角动量和轨道角动量)的一种，它使得电磁波的相位波前呈现涡旋状，因此携带轨道角动量的电磁波束又被称为涡旋波。涡旋波的螺旋相位波前可以用eilθ来表示，其中l是涡旋波的模式数，又被称为拓扑荷数，可以是任意整数，θ代表方位角。涡旋波束可以处于不同的频率，其中处于射频波段的就被称为射频涡旋波。
涡旋波束的主要应用领域包括通信和雷达探测。在通信方面，其不同模式的理论正交性为通信领域带来了一种新的自由度，每一个涡旋波束都可以作为一个独立的信道，涡旋波的模分复用可以大大提升信道容量和频谱效率，此外还可以用于数据编码通信。在雷达探测方面，由于其独特而稳定的相位结构和丰富的相位信息，涡旋波束可以用于微多普勒效应测转动物体的转速，这对于转动目标的检测十分有利。
涡旋波束模式的切换对于这两方面的应用都很有必要。首先，每个模式的波束都可以作为一个信道，模式快速切换可以有效提升信道数目；然后，每个波束的模式值都可以被编码为一组数据信息，模式快速切换能大大提升编码效率；涡旋波微多普勒效应中转子转速和涡旋模式值成正比，多个模式共同测量可以大大减小测量误差。
因此，综上，有必要提供一种可以进行涡旋波束模式切换的方案。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统和方法，实现涡旋波束的模式快速切换。
基于上述目的，本发明提供一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，包括：
光开关，其包括k个输入端口和一个输出端口，每个输入端口分别输入一组不同波长的光经波分复用合成的光束；
控制单元，用于在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；
光电调制器，用于将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出；
光信号处理器，用于对所述光电调制器输出的光束，根据第n个涡旋波束模式的n个移相需求，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，分别从n个端口输出；
n个光电检测器，用于分别对所述光信号处理器的n个端口输出的光信号进行拍频后，输出n个射频信号；
圆形天线阵列，其包括n个天线，分别连接于n个光电检测器，用于分别将n个射频信号进行发射。
其中，所述光开关不同输入端口输入的光，波长也不相同。
其中，所述光信号处理器中光信号的波长与输出端口的对应关系，光信号的波长与移相相位的对应关系，均是根据涡旋波束模式的移相需求预先配置的。
进一步，所述系统还包括：
k个波分复用激光器，通过多波长光束复用分别输出k组不同波长的光，分别输入到所述光开关的k个输入端口。
进一步，所述系统还包括：
掺铒光纤放大器，设置于所述光电调制器与光信号处理器之间，用于将所述光电调制器输出的光束进行功率放大后，输入到所述光信号处理器。
本发明还提供一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换方法，应用于如上所述的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，所述方法包括：
所述系统中的控制单元在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；
所述系统中的圆形天线阵列产生第n个涡旋波束模式的涡旋波。
进一步，所述方法还包括：
所述控制单元预先根据涡旋波束模式的移相需求，在所述系统中的光信号处理器中配置光信号的波长与移相相位的对应关系，并配置光信号的波长与所述光信号处理器的输出端口的对应关系。
进一步，所述方法还包括：
所述控制单元还根据待发射的涡旋波的发射方向，更新涡旋波束模式的移相需求；根据更新的涡旋波束模式的移相需求重新配置光信号的波长与移相相位的对应关系。
本发明提供的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统中，包括：光开关，其包括k个输入端口，每个输入端口分别输入一组不同波长的光经波分复用合成的光束；控制单元，用于在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；光电调制器，用于将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出；光信号处理器，用于对所述光电调制器输出的光束，根据第n个涡旋波束模式的n个移相需求，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，分别从n个端口输出；n个光电检测器，用于分别对所述光信号处理器的n个端口输出的光信号进行拍频后，输出n个射频信号；圆形天线阵列，其包括n个天线，分别连接于n个光电检测器，用于分别将n个射频信号进行发射。从而通过对光开关的切换，实现圆形天线阵列发射的射频涡旋波束在第1～第k个涡旋波束模式之间的切换。
此外，本发明技术方案中，控制单元还根据待发射的涡旋波的发射方向，更新涡旋波束模式的移相需求；根据更新的涡旋波束模式的移相需求重新配置光信号处理器中光信号的波长与移相相位的对应关系；从而使得圆形天线阵列产生的涡旋波束的发射方向为预期偏转角。从而还可实现对圆形天线阵列发射的射频涡旋波束的发射方向的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统结构框图；
图2为本发明实施例提供的光信号处理器上对不同波长光信号的强度图和相移处理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
本发明提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，内部结构框图如图1所示，包括：光开关101、控制单元102、光电调制器103、光信号处理器104、光信号处理器105、n个光电检测器106、圆形天线阵列107。
其中，光开关101中可以包括k个输入端口和一个输出端口，每个输入端口分别输入一组不同波长的光经波分复用合成的光束；其中，k为大于1的自然数；光开关不同输入端口输入的光，波长也不相同。例如，光开关101可以是2×1的光开关，2×1的光开关对两个光通道进行切换，使得两个光通道的信号交替输出。
控制单元102用于在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；使得同一时间只有一组光束可以通过光开关，被送入光电调制器103进行调制；其中，n为1～k之间的自然数。
也就是说，光开关中第1～第k光通道分别对应第1～第k个涡旋波束模式；之间例如，2×1的光开关对两个光通道中，通道一的光束对应第1涡旋波束模式，其模式值l＝1；第1涡旋波束模式的4个移相需求分别为-180°,-90°,0°,90°；两个光通道中通道二的光束对应第2涡旋波束模式，其模式值l＝-1；第2涡旋波束模式的4个移相需求分别为90°,0°,-90°,-180°。
光电调制器103即马赫增德尔调制器(mzm)，光电调制器103的输入端与光开关101的输出端相连；光电调制器103用于将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出；具体地，光电调制器103可以采用双边调制方式将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出。
在光电调制器103上，由射频矢量网络分析仪(vna)产生的射频信号被调制到光信号上，为了保证信号功率，采用了双边带(dsb)调制，调制后的光信号可以如下表达式一所示：
其中em和ωm是输入到光电调制器103光束中的第m个光载波的强度和角频率，调制前光信号的光场可以表示为
光信号处理器(osp)104即光信号移相模块，光信号处理器104的输入端与光电调制器103的输出端相连，光信号处理器104用于对所述光电调制器输出的光束，根据第n个涡旋波束模式的n个移相需求，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，分别从n个端口输出；其中，n为圆形天线阵列107中天线的个数。
具体地，光信号处理器104具体用于在接收到所述光电调制器输出的光束后，根据光信号的波长与移相相位的对应关系，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，将n个不同波长的光信号解复用分别从n个端口输出；其中，光信号处理器104中光信号的波长与输出端口的对应关系，光信号的波长与移相相位的对应关系，均是根据涡旋波束模式的移相需求预先配置的。
例如，光信号处理器104可以是1×4光信号处理器，用于在接收到所述光电调制器输出的光束后，根据光信号的波长与移相相位的对应关系，分别对所述光束中4个不同波长的光信号进行相位调节后，将4个不同波长的光信号解复用分别从4个端口输出。光信号处理器104的移相结果可以使得上述2×1的光开关的两个光通道中的光信号具有不同相移，对应不同的涡旋模式。
具体地，若输入到光信号处理器104的光束中4个不同波长的光信号分别被调入对应于上述第1涡旋波束模式的相移需求：-180°,-90°,0°,90°，移相后波长相邻光信号的相位差
若输入到光信号处理器104的光束中4个不同波长的光信号分别被调入对应于上述第2涡旋波束模式的相移需求：90°,0°,-90°,-180°，则移相后波长相邻光信号的相位差
n个光电检测器(pd)106分别连接于光信号处理器104的n个端口；n个光电检测器106用于分别对所述光信号处理器的n个端口输出的光信号进行拍频后，输出n个射频信号；
例如，上述输入到光信号处理器104的光束中4个不同波长的光信号分别被调入对应于上述第1涡旋波束模式的相移需求：-180°,-90°,0°,90°后，输出的4个不同波长的光信号被4个pd分别拍频，就得到了4个调相后的射频信号，可以通过如下表达式二表示：
其中
这4个不同波长的光信号分别馈送给圆形天线阵列107中对应天线，角频率为ωrf第1涡旋波束模式的射频涡旋波束就被产生和发射了。
圆形天线阵列107包括n个天线，圆形天线阵列107中的n个天线分别连接于n个光电检测器的输出端，圆形天线阵列107中的n个天线用于分别将n个射频信号进行发射，从而产生第n个涡旋波束模式的涡旋波。也就是说，光电检测器(pd)输出的调相后射频信号被馈入圆形天线阵列(caa)107的相应天线中，对应模式的射频涡旋波束就得以产生。
更优地，本发明提供的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统中还可包括：掺铒光纤放大器108。
掺铒光纤放大器(edfa)108设置于光电调制器103与光信号处理器104之间，用于将所述光电调制器103输出的光束进行功率放大后，输入到所述光信号处理器104。
更优地，本发明提供的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统中还可包括：k个波分复用激光器109。
k个波分复用激光器109通过多波长光束复用分别输出k组不同波长的光，分别输入到所述光开关的k个输入端口。
具体地，波分复用激光器109可以包括：n个可调谐激光器和波分复用器(wdm)。其中，n个可调谐激光器用于发射n个不同波长的光信号；波分复用器用于将各可调谐激光器输出的光信号进行复用。
例如，波分复用激光器109可以利用两个4×1波分复用器将两个4通道波长可调谐激光器发射的两组不同波长光信号进行复用，形成两个不同波长范围的光通道，分别接到2×1光开关的两个输入端口。
如此，通过控制单元102控制切换光开关101的输出端口连接于第n个输入端口，即可快速控制圆形天线阵列107发射第n个涡旋波束模式的涡旋波，实现涡旋波束的模式快速切换。也就是说，通过光开关101的光路切换就实现了射频涡旋波束的模式切换，即实现圆形天线阵列发射的射频涡旋波束在第1～第k个涡旋波束模式之间的切换，且切换速度可由控制单元102中的程序控制。
控制单元102中既可以手动进行光开关101的通断，实现不同模式射频涡旋波束的持续发射；也可以程序控制光开关101的自动切换以及切换速度，实现不同模式涡旋波束的快速切换；还可以利用程序对光开关101导入编码信号，实现射频涡旋波的模式编码，且编码效率和光开光101切换速度成正比。
基于上述的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，本发明提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换的方法流程，如图3所示，包括如下步骤：
步骤s301：控制单元102在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口。
步骤s302：圆形天线阵列107产生第n个涡旋波束模式的涡旋波。
而在上述步骤s301之前，本发明提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换方法还可包括：
控制单元102可以预先根据涡旋波束模式的移相需求，在所述系统中的光信号处理器104中配置光信号的波长与移相相位的对应关系，并配置光信号的波长与所述光信号处理器的输出端口的对应关系。
由于当涡旋波束发射方向中相邻天线相位差
此外，通过光信号处理器104进行移相处理，不仅可实现涡旋波束的产生，还能实现涡旋波束发射方向的控制；
事实上，圆形天线阵列天线上信号相位的排列不仅决定了涡旋模式，还能影响涡旋波束指向，即还能影响涡旋波束的发射方向。根据涡旋波束发射方向产生涡旋波束的理论，当涡旋波束发射方向中相邻天线相位差
根据涡旋波束指向控制理论，圆形天线阵列中第m个天线上信号的相位如表达式三所示：
其中
也就是说，通过改变光信号处理器104中输入到不同天线的不同波长的光信号与移相相位的对应关系，便可使得圆形天线阵列产生预期的涡旋波束模式和发射方向的涡旋波束。
因此，在上述步骤s301之前，本发明提供的一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换方法还可包括：
控制单元102还根据待发射的涡旋波的发射方向，更新涡旋波束模式的移相需求；根据更新的涡旋波束模式的移相需求重新配置光信号处理器104中光信号的波长与移相相位的对应关系；从而使得圆形天线阵列产生的涡旋波束的发射方向为预期偏转角。
例如，对于上述的2×1的光开关的两个光通道，若第1个光通道中的光束用于产生模式值为l1、发射方向的偏转角度为θ1的第1涡旋波束模式的射频涡旋波，第2个光通道中的光束用于产生模式值为l2、发射方向的偏转角度为θ2的第2涡旋波束模式的射频涡旋波，则可以通过控制单元102根据发射方向的偏转角度θ1更新第1涡旋波束模式的移相需求，根据发射方向的偏转角度θ2更新第2涡旋波束模式的移相需求，配置光信号处理器104中光信号的波长与移相相位的对应关系。
本发明提供的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统中，包括：光开关，其包括k个输入端口，每个输入端口分别输入一组不同波长的光经波分复用合成的光束；控制单元，用于在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；光电调制器，用于将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出；光信号处理器，用于对所述光电调制器输出的光束，根据第n个涡旋波束模式的n个移相需求，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，分别从n个端口输出；n个光电检测器，用于分别对所述光信号处理器的n个端口输出的光信号进行拍频后，输出n个射频信号；圆形天线阵列，其包括n个天线，分别连接于n个光电检测器，用于分别将n个射频信号进行发射。从而通过对光开关的切换，实现圆形天线阵列发射的射频涡旋波束在第1～第k个涡旋波束模式之间的切换。
此外，本发明技术方案中，控制单元102还根据待发射的涡旋波的发射方向，更新涡旋波束模式的移相需求；根据更新的涡旋波束模式的移相需求重新配置光信号处理器104中光信号的波长与移相相位的对应关系；从而使得圆形天线阵列产生的涡旋波束的发射方向为预期偏转角。从而还可实现对圆形天线阵列发射的射频涡旋波束的发射方向的控制。
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，其特征在于，包括：
光开关，其包括k个输入端口和一个输出端口，每个输入端口分别输入一组不同波长的光经波分复用合成的光束；
控制单元，用于在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；
光电调制器，用于将射频信号调制到所述光开关输出的光束后输出；
光信号处理器，用于对所述光电调制器输出的光束，根据第n个涡旋波束模式的n个移相需求，分别对所述光束中n个不同波长的光信号进行相位调节后，分别从n个端口输出；
n个光电检测器，用于分别对所述光信号处理器的n个端口输出的光信号进行拍频后，输出n个射频信号；
圆形天线阵列，其包括n个天线，分别连接于n个光电检测器，用于分别将n个射频信号进行发射。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光开关不同输入端口输入的光，波长也不相同。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述光信号处理器中光信号的波长与输出端口的对应关系，光信号的波长与移相相位的对应关系，均是根据涡旋波束模式的移相需求预先配置的。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
k个波分复用激光器，通过多波长光束复用分别输出k组不同波长的光，分别输入到所述光开关的k个输入端口。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，还包括：
掺铒光纤放大器，设置于所述光电调制器与光信号处理器之间，用于将所述光电调制器输出的光束进行功率放大后，输入到所述光信号处理器。
6.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述光开关具体为2×1的光开关；以及
所述波分复用激光器中的波分复用器具体为4×1的波分复用器，以及n具体为4。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述涡旋波束模式具体包括第1个涡旋波束模式l1和第2个涡旋波束模式l2；
所述光信号处理器具体用于在接收到所述光电调制器输出的光束后，根据光信号的波长与移相相位的对应关系，分别对所述光束中4个不同波长的光信号进行相位调节后，将4个不同波长的光信号解复用分别从4个端口输出。
8.一种基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换方法，应用于如权利要求1-7任一所述的基于圆形天线阵列的涡旋波束模式切换系统，其特征在于，所述方法包括：
所述系统中的控制单元在当前待切换的涡旋波束模式为第n个涡旋波束模式时，控制所述光开关的输出端口连接于第n个输入端口；
所述系统中的圆形天线阵列产生第n个涡旋波束模式的涡旋波。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
所述控制单元预先根据涡旋波束模式的移相需求，在所述系统中的光信号处理器中配置光信号的波长与移相相位的对应关系，并配置光信号的波长与所述光信号处理器的输出端口的对应关系。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
所述控制单元还根据待发射的涡旋波的发射方向，更新涡旋波束模式的移相需求；根据更新的涡旋波束模式的移相需求重新配置光信号的波长与移相相位的对应关系。
技术总结