專利名稱：星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微波遙感技術(shù)，特別是涉及一種屬于微波對地觀測技術(shù)的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計。
背景技術(shù)：
微波遙感由于具有全天時、全天候和對地物具有一定穿透能力的特點，并能進行極化和相干接收，在遙感技術(shù)領(lǐng)域占有越來越重要的地位。它包括有源微波遙感和無源微波遙感有源微波遙感器包括雷達高度計、散射計(實孔徑雷達)和合成孔徑雷達(SyntheticAperture Radar，SAR)；無源微波遙感器即微波輻射計。
作為一種被動微波遙感器，微波輻射計是用來測量地物自身微波輻射的高靈敏度的接收機。盡管微波輻射計具有諸多優(yōu)點，其在空間分辨力上還遠不能和合成孔徑雷達(SAR)相比。這主要是由于微波輻射計所接收的地物的電磁輻射信號是一種隨機噪聲，信號在時間上是不相干的，不能象合成孔徑雷達(SAR)那樣通過對飛行過程中不同接收點上的信號先進行相干接收和存儲，然后再進行孔徑合成處理，實現(xiàn)大孔徑綜合。由此可見，如果微波輻射計能在空間分辨力上有所突破，將可以大大擴展其應(yīng)用范圍。
為了提高微波輻射計的空間分辨力，并使其用于星載，唯一的手段就是增大輻射計接收天線的物理口徑尺寸。而大尺寸真實孔徑天線必然引入重量和體積的增大及掃描成像的困難，這對于星載來說是一個嚴重的障礙。但是，如果我們能夠從兩個方面加以突破，將大孔徑天線的輻射計用于星載并不是不可能的。這就是(1)解決天線重量和發(fā)射狀態(tài)下的折疊問題；(2)解決在軌運行時的電掃描問題。
對上面問題的解決可以通過兩個途徑，一是采用傘型折疊的網(wǎng)狀拋物面天線；二是采用便于折疊的稀疏陣列天線。采用傘型折疊的網(wǎng)狀拋物面天線帶來的技術(shù)困難是網(wǎng)狀拋物面制造十分困難且成本極高，即使可以實現(xiàn)，在軌運行時的掃描問題又會變得十分突出增加新的困難。因此采用稀疏的陣列天線似乎較為合理。但是，根據(jù)陣列天線的設(shè)計理論，稀疏后的天線會產(chǎn)生高電平的柵瓣，且不宜進行相控掃描；如果陣列單元稀疏程度不高，就不能有效地減輕天線的重量，也不能使天線在發(fā)射時折疊在一個很小的體積中。這些因素在很長時間里影響了高分辨率星載被動微波遙感技術(shù)的發(fā)展。
從六十年代開始，在射電天文技術(shù)中發(fā)展起來一種有效稀疏陣列天線的信號處理技術(shù)，稱為綜合孔徑射電天文學，如參考文獻[1]Thompson，A.R.，J.M.Moran and G.W.Swenson，Jr.Interferometry andsynthesis in radio astronomy，Krieger Publishing Company，Malabar，F(xiàn)lorida，1994。八十年代以來，從事空間對地觀測的工程師將這一技術(shù)引入對地觀測的微波輻射計中，用以解決提高分辨率的問題。這為星載高分辨率微波輻射計技術(shù)帶來了一次革命性的突破。
輻射綜合孔徑觀測的是稱為可視度函數(shù)(Visibility Function，VF)的一組二元干涉信號。每一對二元干涉信號是將兩個天線的輸出進行相干相乘。由于地面觀測目標位于天線的遠場，在基線(兩個天線之間的距離和方向)相同的兩個天線單元之間進行信號相干測量時，結(jié)果應(yīng)該是相同的，這就為大量稀疏天線單元提供了條件。換一句話講，我們在進行兩個天線單元之間的相干測量時，相同間距和方向的天線單元之間的干涉測量只需進行一次。因此，我們可以通過天線單元的共用簡化陣列的構(gòu)成，大量進行陣列單元的稀疏。
1983年，美國NASA戈達德飛行中心的D.M.LeVine等第一次建議將射電天文中的綜合孔徑技術(shù)引入對地觀測的微波輻射計，用以提高其分辨率。從80年代中期始，NASA的JPL實驗室和Massachusetts州立大學(Umass)的微波遙感實驗室(MIRSL)在機載微波輻射計上進行了垂直飛行方向上的一維綜合孔徑輻射計的研制工作，并進行了大量的飛行實驗，如參考文獻[2]Ruf，C.S.，C.T.Swift，A.B.Tanner and D.M.Le Vine，“Interferometric synthetic aperturemicrowave radiometry for the remote sensing of the earth”，IEEE Trans.GRS，Vol.26，pp.597-611，1988。這臺稱為電掃描、稀疏陣列輻射計(ESTAR，Electrical Scan Thinned Array Radiometer)的遙感器，只在垂直飛行軌跡的方向上進行孔徑綜合。當其進一步提高空間分辨力并大量增加天線單元時，將需要很多的相關(guān)器，對于星載應(yīng)用這無疑是一個嚴重的缺陷，特別是如果要實現(xiàn)兩個方向的綜合(二維口徑)則相關(guān)器的數(shù)目將難以接受。
1991年日本的K.Komiyama提出了超綜合輻射計(SupersynthesisRadiometers，SSR)的概念，SSR利用二元干涉儀輸出信號的瞬時頻率隨位置變化的線性調(diào)頻段，采取類似于SAR的匹配接收處理方法，實現(xiàn)孔徑綜合，如參考文獻[3]Komiyama，K.，“High resolutionimaging by supersynthesis(SSR)for the passive microwave remotesensing of the earth”，Electronic Letters，Vol.27，pp.389-390，1990。這種技術(shù)可以在物理口徑(即干涉儀張成的空間)確定的情況下，將陣列稀疏到只有兩個單元的極限情況，利用干涉基線在運動過程中對觀測目標方向投影長度的變化實現(xiàn)相當于多基線的空間頻率覆蓋。Komiyama等進行了一系列的模型實驗，驗證了上述的設(shè)想，需要指出的是，Komiyama的分析結(jié)果認為SSR的分辨率可以突破真實孔徑的限制，這是不正確的。應(yīng)該指出，將干涉天線單元的數(shù)量稀疏到只有兩個是一個十分理想的嘗試，但是由于這要求單元天線將從各種不同的入射角觀測目標以獲得各種不同空間頻率的可視度函數(shù)，因此只能對極少數(shù)特性不隨入射角變化的目標適用，不能廣泛的用于對地觀測。
通過美國馬薩諸塞州立大學微波遙感實驗室的工作，我們了解到利用干涉測量成像需要測量各種不同基線長度的干涉函數(shù)，或可視度函數(shù)。這通常也稱為對可視度函數(shù)的完整的空間頻率覆蓋。另一方面通過日本Komiyama的工作我們了解到，一條基線如果其在被觀測目標方向上的投影長度隨平臺的移動有變化，其測量的空間頻率實際上也會發(fā)生變化，也即其輸出在空間頻率上具有一定的帶寬。如果我們同時利用時間軸上的分割，也即分時的測量，我們將可以比較合理的進一步稀疏陣列單元，獲得可以適于對地觀測應(yīng)用的新的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是克服上面兩種方案各自的不足，將上面兩種機理結(jié)合，并利用時間軸上的分割，設(shè)計出最少只需要三個天線單元組成兩條基線，并可在目標的入射角變化很小的范圍內(nèi)成像的，能廣泛地用于對地觀測的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的一種星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，包括天線A，天線A掃描機構(gòu)，伸桿A，衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分，衛(wèi)星的自旋部分，天線B，伸桿B，天線C，伸桿C；其中伸桿A安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分的一側(cè)，衛(wèi)星的自旋部分安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分的另一側(cè)，伸桿B和伸桿C沿徑向安裝在衛(wèi)星的自旋部分上，天線A掃描機構(gòu)一端與伸桿A連接，另一端與天線A連接，天線B和天線C分別固定在伸桿B和伸桿C的頂端。
天線A的掃描機構(gòu)提供一維的旋轉(zhuǎn)掃描，它的功能是確保在整個成像測量過程中，盡管衛(wèi)星在飛行，但該天線A的掃描機構(gòu)始終使天線A的波束照射在被測區(qū)域上。伸桿將天線A與衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分相連并獲得所需要的基線長度；伸桿B將天線B與衛(wèi)星的自旋部分相連并獲得所需要的基線長度；伸桿C則將天線C與衛(wèi)星的自旋部分相連并獲得所需要的基線長度。在一個測量周期內(nèi)，也即每測量一幅圖像，衛(wèi)星的自旋部分旋轉(zhuǎn)一周。
本實用新型的優(yōu)點在于本實用新型在相同天線體積(指運載過程中的折疊體積)和重量的限制條件下，可比現(xiàn)有各種技術(shù)方案在低軌道對地觀測衛(wèi)星上實現(xiàn)更高的被動微波遙感的空間分辨力。


圖1是星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計的結(jié)構(gòu)關(guān)系原理圖；圖2是圖1中天線A(1)及其相聯(lián)部分的結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖1中三軸穩(wěn)定部分(4)和自旋部分(5)的結(jié)構(gòu)圖；圖4是圖1中天線B(6)及其相聯(lián)部分的結(jié)構(gòu)圖；圖5是實施例2中星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。
具體實施方式
實施例1本實用新型由天線A1，天線A掃描機構(gòu)2，伸桿A3，衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分4，衛(wèi)星的自旋部分5，天線B6，伸桿B7，天線C8，伸桿C9組成，如圖1所示。其中衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分4是衛(wèi)星的主體，衛(wèi)星的自旋部分5的主要功能是為了提供天線B6和天線C8及其支撐伸桿的旋轉(zhuǎn)。伸桿A3安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分4的一側(cè)，衛(wèi)星的自旋部分5安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分4的另一側(cè)，伸桿B7和伸桿C9安裝在衛(wèi)星的自旋部分5上，且伸桿B7和伸桿C9形成一直線，其旋轉(zhuǎn)平面與伸桿A3垂直，如圖4所示。天線A掃描機構(gòu)2的固定部分與伸桿A3相連接，移動部分與天線A1相連接。天線B6和天線C8分別固定在伸桿B7和伸桿C9的頂端。
可以根據(jù)被測區(qū)域面積和衛(wèi)星平臺高度選擇天線A1的形式和輻射方向圖，本實施例中選擇喇叭天線，其方向圖由喇叭天線孔徑確定。天線A的掃描機構(gòu)2可選擇帶有角編碼器的步進電機，其移動部分沿伸桿A3的方向提供一維的旋轉(zhuǎn)掃描，如圖2所示。在此實施例中我們?nèi)∩鞐UA3的長度為25個波長。衛(wèi)星的自旋部分5的轉(zhuǎn)速為12-14秒一周。天線B6選擇對稱振子天線。伸桿B長度為140個波長。
由于增加了天線D17，可以減慢衛(wèi)星自旋部分的轉(zhuǎn)速，提高采樣率也即對空間頻率的覆蓋，從而提高圖像質(zhì)量和穩(wěn)定度。
權(quán)利要求1.一種星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，包括天線A(1)，天線A掃描機構(gòu)(2)，伸桿A(3)，衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分(4)，衛(wèi)星的自旋部分(5)，天線B(6)，伸桿B(7)，天線C(8)，伸桿C(9)，其特征是伸桿A(3)安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分(4)的一側(cè)，衛(wèi)星的自旋部分(5)安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分(4)的另一側(cè)，伸桿B(7)和伸桿C(9)沿徑向安裝在衛(wèi)星的自旋部分(5)上，天線A掃描機構(gòu)(2)一端與伸桿A(3)連接，另一端與天線A(1)連接，天線B(6)和天線C(8)分別固定在伸桿B(7)和伸桿C(9)的頂端。
2.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的天線A掃描機構(gòu)(2)由固定部分和移動部分組成，固定部分與伸桿A(3)相連接，與天線A(1)相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的天線A掃描機構(gòu)(2)為帶有角編碼器的電機。
4.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的天線A(1)為喇叭天線。
5.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的天線B(6)和天線C(8)為對稱振子天線。
6.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的伸桿B(7)和伸桿C(9)形成一直線，其旋轉(zhuǎn)平面與伸桿A(3)垂直。
7.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的伸桿A(3)的長度為25個波長。
8.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的衛(wèi)星的自旋部分(5)的轉(zhuǎn)速為12-14秒一周。
9.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的伸桿B長度為140個波長。
10.如權(quán)利要求1所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的安裝在衛(wèi)星的自旋部分(5)上的天線包括由兩個增加為三個。
11.如權(quán)利要求10所述的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計，其特征是所述的伸桿B(7)、伸桿C(9)和伸桿D(18)構(gòu)成一個與伸桿A(3)垂直的平面，且這三個伸桿之間的角度為120度，天線D(17)安裝在伸桿D(18)的頂端。
專利摘要本實用新型涉及微波對地觀測技術(shù)的星載旋轉(zhuǎn)掃描成像微波輻射計。它包括天線A，天線A掃描機構(gòu)，伸桿A，衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分，衛(wèi)星的自旋部分，天線B，伸桿B，天線C，伸桿C；其中伸桿A安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分的一側(cè)，衛(wèi)星的自旋部分安裝在衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定部分的另一側(cè)，伸桿B和伸桿C沿徑向安裝在衛(wèi)星的自旋部分上，天線A掃描機構(gòu)一端與伸桿A連接，另一端與天線A連接，天線B和天線C分別固定在伸桿B和伸桿C的頂端。本實用新型在相同天線體積(指運載過程中的折疊體積)和重量的限制條件下，可比現(xiàn)有各種技術(shù)方案在低軌道對地觀測衛(wèi)星上實現(xiàn)更高的被動微波遙感的空間分辨力。
文檔編號G01S13/00GK2530354SQ0127818
公開日2003年1月8日 申請日期2001年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月12日
發(fā)明者吳季, 黃永輝, 董曉龍 申請人:中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心