CN101799568B - 二维双向阵列式角反射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维双向阵列式角反射器，属于地学技术领域。本发明角反射器由多个沿东西向和南北向相邻排列的三面角反射器单元组成，该三面角反射器单元包括两个互相垂直的反射面和一个同时垂直于所述反射面的隔板表面，所述隔板表面平行于东西向，所述三面角反射器单元满足下列公式：2d_NScosδ_NSsinθ＝pλ，2d_EWcosδ_EWsinθ＝qλ。其中，d_EW和d_NS分别表示所述反射面在东西向和南北向的投影长度，δ_EW和δ_NS分别表示入射面与东西向和南北向的夹角，θ和λ分别表示雷达波的入射角和波长。本发明可用于星载合成孔径雷达(SAR)应用及其他地学技术领域等。

Description

二维双向阵列式角反射器

技术领域

本发明涉及角反射器，尤其涉及一种星载合成孔径雷达(SAR)应用中的地面二维双向阵列式角反射器。属于地学技术领域。

背景技术

角反射器是SAR在地学领域应用中的一种重要地面设备。最常见的是单个金属质二面或三面角反射器，SAR发射出的电磁波可被角反射器的反射面很强地反射回去，从而在雷达图像上呈现高强度，容易被识别、检测和准确定位，且能保持相位的稳定性，因此在雷达测绘中常作为地面的控制点，用于SAR的辐射定标、几何定标和高程定标；在干涉测量中，将它作为地面指示物，通过测量其三维位置的变化来监测地表的形变。

单个金属质二面或三面角反射器的共同特点是

(1)方向性强，对于星载SAR，它只能对升轨或降轨一种轨道下的SAR辐射起作用，因而减少了观测机会；

(2)金属材质使其造价相对较高，而且在野外使用时易失窃，故其维护成本也高，对于长期、无人值守的观测存在很多困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种二维双向阵列式角反射器，使其对处于升轨和降轨的星载SAR都能工作，增加SAR数据的观测应用机会。本发明提供的二维双向阵列式角反射器还具有下列优点：制作简单，对表面材料要求宽泛，可以采用金属或非金属材料，造价低廉，易于推广，加之可固定于地面，无需移动和调整方向，可大大降低角反射器制作、野外使用与维护的综合成本。

本发明由发明人借助反射光栅干涉原理以及星载SAR运行特点设计而成，图1为本发明二维双向阵列式角反射器的结构示意图，其中(a)为二维俯视示意图，(b)为其沿东西向剖面的示意图，(c)为其沿南北向剖面的示意图。

如图1所示，所述角反射器由多个沿东西向和南北向相邻排列的三面角反射器单元组成，所述三面角反射器单元包括两个互相垂直的反射面和一个同时垂直于所述反射面的隔板表面，所述隔板表面平行于东西向。

如图1所示，沿南北向延伸的两个正交的矩形反射面构成一个常规的二面角反射器，这样无论是从东向还是从西向照射来的星载SAR波束，都将被反射回原入射方向(图2a)；而一系列沿东西向相连的二面角反射器则构成了一个二维双向角反射器阵列，通过精心计算周期性结构的二面角反射器单元的长度，使得各单元间的散射在升、降轨SAR观测方向上同时满足谐振条件，就可大大增加角反射器的雷达散射截面积。但是由于卫星的飞行轨道方向并不是正南、正北向的，所以沿东西方向设置隔板，将上述二面角反射器阵列分割成了更小的单元阵列，每个单元对于升轨和降轨的SAR辐射实际上形成了一个三面角反射器，所述的三面包括二面角反射器单元的两个反射面和一个隔板表面。本发明将两个相邻隔板之间的二面角反射器单元部分称作一个三面角反射器单元。

此外，本发明作如下定义：

一个三面角反射器单元内，两个反射面的相交线称为沟线；两个相邻的三面角反射器单元的相交线称为垄线；垄线两边的两个反射面共同构成一个垄；垄线和沟线在竖直方向上的距离称为垄高。

使每个三面角反射器单元均满足谐振条件，就可获得整个阵列的后向散射极大值。

本发明借助了一维反射光栅的理论，并对其进行了扩展。

对于一维周期性结构的矩形反射光栅(图3)，已知其衍射光强公式为

$I=I_0{\left(\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{N\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2---\left(1.1\right)$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\πa}(\sin {\mathrm{\θ}}_i\±\sin {\mathrm{\θ}}_o)}{\mathrm{\λ}}$

(1.2)

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\πd}(\sin {\mathrm{\θ}}_i\±\sin {\mathrm{\θ}}_o)}{\mathrm{\λ}}$

式中，I₀为单缝中央主极大光强，λ为入射光的波长，N是周期性结构的光栅单元的个数，a是光栅单元中功能部分的长度，d是整个光栅单元长度，d＞a；θ_i为入射角，θo为观测角，正负号的取法约定为当入射角与观测角在同侧时取正，异侧取负。

当sinβ＝0时，即d(sinθ_i±sinθ_o)＝pλ，p＞0且为整数，光强出现极强，极强与光栅单元个数的平方(N²)成正比。但这个变化受到缓慢的调制，当sinθ_i＝sinθ_o时，且观测方向与入射方向在异侧时，a＝0，缓慢调制取得极大值。显然，N越大，衍射光强越大。

星载SAR的观测方向一般仅有一侧，因此升轨和降轨SAR的观测方向截然不同。除两极以外，升轨和降轨SAR对任一区域都有观测机会，而目前常用的角反射器只能针对升轨或降轨状态下的一种雷达辐射起作用。若采用一维反射光栅结构制作角反射器，不能保证使升、降轨状态下的雷达辐射散射强度最大，因此这种类型的角反射器没有实用价值。

借助一维周期性光栅衍射光强分布理论，发明人导出了具有周期性结构的二维双向阵列式角反射器的衍射光强

$I=I_0{\left(\frac{\sin \mathrm{M\α}}{\sin \mathrm{\α}}\right)}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{N\β}}{\sin \mathrm{\β}}\right)}^2---\left(2.1\right)$

其中

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{NS}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{NS}}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

(2.2)

$\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{EW}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{EW}}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

上式中，M和N分别是沿南北方向和沿东西方向的三面角反射器单元的个数，d_EW和d_NS分别是每个三面角反射器单元在东西方向与南北方向的投影长度。θ是雷达波的入射角，δ_EW和θ_NS分别为入射面与东西方向、入射面与南北方向的夹角。

雷达回波信号达到极大的条件是sina＝0和sinβ＝0，由此可导出

2d_NScosδ_NSsinθ＝pλ        (3)

2d_EWcosδ_EWsinθ＝qλ

其中，p和q是调整参数，取正整数，用于在给定波长的情况下将d_EW和d_NS调整至适当大小。所谓适当大小，一方面取决于安装场地大小(一般较大尺寸散射截面也大，有利于工作)，另一方面取决于制作安装的便利性。具体取值视情况而定，存在一定的任意性，不能一概而论。一般使d_EW和d_NS的尺寸在米级水平较好。

对于一个星载SAR的具体工作模式，λ、θ、δ_EW、δ_NS均已知或可计算得出，根据公式(3)，p和q取适当的正整数，即可计算出角反射器单元的东西和南北方向的尺寸d_EW和d_NS，垄高与东西方向的尺寸d_EW相等。

角反射器单元在南北和东西方向的个数M和N取决于安置场地的大小，二者可以不相等，但均必须大于等于2，否则就没有谐振效应。

由于本发明的二维双向阵列式角反射器的总面积比传统单个金属材料角反射器大很多，且有谐振效应，所以在制作时表面材料可以使用水泥等非金属材料，以降低成本，但要求表面制作比较光洁，颗粒起伏要在毫米以下。若为进一步增大散射截面，其表面可以覆金属膜。

二维双向阵列式角反射器还可以安置在建筑物顶部，此时应采用轻型结实的材料，如木板、竹板或硬质纸版，三角形垄的内部可以不用填实。整个角反射器要牢固固定，以免因其移动而带来观测误差。

和现有技术中的单个金属质二面或三面角反射器相比，本发明有如下优点：

1.对于处于升轨和降轨的星载SAR都能工作，可增加一倍的观测机会；

2.通过精心计算角反射器单元长度，使各单元间的散射在升、降轨SAR观测方向上同时满足谐振条件，可获得较大的散射截面；且因角反射器固定在地面上，相位的稳定性好，使其在SAR图像上更容易识别、检测和定位，可用于SAR的几何定标、干涉定标以及由于地震、地质灾害等引起的地表形变监测；

3.其制作简单，对表面材料要求光洁但不苛刻，表面采用非金属材料(如水泥)即可，造价低，易于推广，在使用中无需移动和调整方向，可大大降低设备的野外安装、使用与维护成本，可用于大范围地表形变的长期观测，对于我国西部人烟稀少、地震频发地区的形变监测更有意义。

附图说明

图1为本发明二维双向阵列式角反射器的结构示意图，其中(a)为二维俯视示意图，(b)为其沿东西向剖面的示意图，(c)为其沿南北向剖面的示意图；

图2为本发明二维双向阵列式角反射器的波束反射示意图，其中(a)为其沿东西向剖面的示意图，(b)为其沿南北向剖面的示意图；

图3为一维周期性结构的矩形反射光栅。

其中：1-三面角反射器单元；2-三面角反射器单元的反射面；3-垄线；4-沟线；5-隔板。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步描述。

本实施例旨在提供一个本发明的二维双向阵列式角反射器。

如图1所示，该二维双向阵列式角反射器由多个沿东西向和南北向相邻排列的三面角反射器单元1组成，每个三面角反射器单元1包括两个互相垂直的反射面2和一个同时垂直于反射面2的隔板表面，该隔板表面平行于东西向。本实施例的三面角反射器单元1满足公式(3)的要求。

该二维双向阵列式角反射器在制作布设时应选址在四周通视条件较好、比较平坦稳定的地面，要准确确定基准方向，同时注意修正磁偏角，并将地基夯实。

在野外布设时，角反射器中间的等腰直角三角形垄内可用土填实，外部用砖或石砌成，再用水泥处理成光滑表面。三面角反射器单元1的南北向长度d_NS与东西向投影长度d_EW要求制作准确，量算时要包括隔板5的厚度和垄顶宽度，既不能重复也不能遗漏。

为便于施工和保护，垄线3和沟线4的部位可做成平的，宽度略小于1厘米即可。

角反射器中间的隔板5可用砖或石砌，也要用水泥处理成光面。在隔板下面留一个小于3厘米大小的孔，便于排水和清理维护。隔板5的高度没有严格要求，与垄高一致即可。

Claims (7)

1.一种星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述角反射器由多个沿东西向和南北向相邻排列的三面角反射器单元组成，所述三面角反射器单元包括两个互相垂直的反射面和一个同时垂直于所述反射面的隔板表面，所述隔板表面平行于东西向，所述三面角反射器单元满足下列公式：

2d_NScosδ_NSsinθ＝pλ

2d_EWcosδ_EWsinθ＝qλ

其中，d_EW和d_NS分别表示所述反射面在东西向和南北向的投影长度，δ_EW和δ_NS分别表示入射面与东西向和南北向的夹角，θ和λ分别表示雷达波的入射角和波长，p和q是调整参数，取正整数；角反射器单元在南北方向的个数M和东西方向的个数N均大于等于2。

2.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述反射面和所述二维双向阵列式角反射器的整个表面成45°角。

3.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述反射面和所述隔板表面由非金属材料或金属材料制成。

4.如权利要求3所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述非金属材料是水泥。

5.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述反射面和所述隔板表面的颗粒起伏在毫米以下。

6.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述反射面下方用填充材料填实。

7.如权利要求1所述的星载合成孔径雷达应用中的地面二维双向阵列式角反射器，其特征在于，所述隔板下面设置具有孔径小于3cm的小孔。 

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