[发明专利]基于1-bit可编程超表面的信号测向系统及方法

权利要求书

1.一种基于1-bit可编程超表面的信号测向系统，其特征在于：包括1-bit可编程超表面，若所述可编程超表面为反射型，则其接收信号的一面分布有M×N个单元天线，若为透射型，则两面对称分布有M×N个单元天线，其中M为单元天线的行数，N为单元天线的列数；所述可编程超表面还连接有用于对单元天线施加周期性调制序列的控制器；在距离所述可编程超表面几何中心一定距离处设有接收天线，所述接收天线连接接收机，所述接收机内设有信号处理模块和角度计算模块；所述信号处理模块用于通过快速傅里叶变换FFT或离散傅里叶变换DFT处理接收信号；所述角度计算模块用于根据各单元天线的周期性调制序列和接收信号处理模块的结果，计算出入射信号的方向。

2.一种基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过1-bit可编程超表面上的各单元天线接收入射信号；

S2：对各单元天线施加周期性调制序列；

S3：各单元天线对入射信号施加上相移后射出，被接收天线接收；

S4：根据周期性调制序列计算出各单元天线的基波分量和一次谐波分量对应的傅里叶系数；

S5：计算出接收天线处的基波分量和一次谐波分量；

S6：得到一次谐波分量与基波分量的比值与入射信号方向的函数关系；

S7：根据实际测得的一次谐波分量与基波分量的比值，计算出入射信号的方向。

3.根据权利要求2所述的基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：所述步骤S1中，1-bit可编程超表面的单元天线间距D为半波长，接收天线位于超表面中心正前方，距离为F；1-bit可编程超表面上有M×N个单元天线，其中M为单元天线的行数，N为单元天线的列；在笛卡尔坐标系中，第(m,n)单元天线的坐标为[(m-(M+1)/2)D,(n-(N+1)/2)D,0]，其中m表示该单元天线所在行数，n表示该单元天线所在列数，接收天线坐标为[0,0,F]，则第(m,n)单元天线与接收天线的距离l_m,n为：

4.根据权利要求3所述的基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：步骤S2中所述周期性调制序列包括：

引入第(m,n)单元的周期性切换函数U_m,n(t)，其值域为{1,-1}，代表0和π两种相移；在一个时间调制周期T_p内，所述周期性切换函数U_m,n(t)表示为

5.根据权利要求4所述的基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：所述步骤S3中，一个频点为F_c的正弦信号从方向入射，θ为俯仰角，为方位角，θ∈(-π/2,π/2)，各单元天线的方向图为l_m,n导致的路径损耗为a(l_m,n)，引入周期性调制序列后，超表面和接收天线组成的接收系统的瞬时方向图函数为：

其中，表示信号从各单元天线出射到接收天线方向的增益，d_m,n表示信号到达各单元天线的波程差，j表示虚数符号，λ表示入射信号的波长。

6.根据权利要求5所述的基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：在所述步骤S4中，U_m,n(t)满足U_m,n(t)＝U_m,n(t+nT_p)，τ_m,n,on和τ_m,n,off分别表示第(m,n)单元归一化的相移π的开启时间和关闭时间；作为周期性函数，U_m,n(t)以傅里叶级数的形式展开为：

其中，α_m,n,k是第k次谐波的傅里叶系数，通过下式计算：

7.根据权利要求6所述的基于1-bit可编程超表面的信号测向方法，其特征在于：步骤S5中所述接收天线处的基波分量和一次谐波分量为：