CN103487859B - 一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，应用于馈源口面定标方式辐射计中，包括：S1：确定冷空反射镜的抛物线方程，从而获得冷空反射镜的抛物面母体；S2：确定冷空反射镜的偏置角；S3：计算馈源的能量分布；S4：计算冷空反射镜的轮廓线，具体的根据馈源的能量分布，获得一条冷空反射镜的截线，截线绕馈源中心线旋转一周，成为一个锥体，该锥体与抛物面母体相交部分形成冷空反射镜的轮廓线。本发明提供的一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，通过对冷空反射镜进行特殊赋形，使冷空反射镜在对主天线遥感观测不产生物理干涉影响的前提下，降低了到主天线的漏射率，提高了定标精度。

Description

一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法

技术领域

本发明涉及偏置抛物面反射镜的赋形设计领域，特别涉及一种应用于卫星微波辐射计定标系统的具有低漏射率的微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法。

背景技术

微波辐射计的辐射定标是定量化卫星遥感技术的重要环节，直接关系到遥感探测精度。辐射定标的基本原理是以辐射标准源或参考信号为基准，通过对比实验，建立遥感仪器输出信号和观测目标绝对物理量之间的换算关系。因为绝大多数星载遥感仪器辐射响应具有线性特性，在轨星上辐射定标一般需要高、低辐射两个参考标准来确定定标关系。微波辐射计一般以宇宙冷空背景作为低辐射标准源。收集冷空辐射信号再将其进行处理、定标比对的过程即为冷定标，冷定标方式有天线口面定标和馈源口面定标。

辐射计主天线和馈源绕轴转动，在转动一周内，各通道馈源喇叭依次对准冷空反射镜焦点实现一次冷空定标观测。在冷空定标观测状态时，为了保证定标精度，需要确保所收集的辐射信号绝大部来自冷空，但冷空反射镜对馈源不会全覆盖，存在漏射，因此在接收冷空辐射时，还会引入其他背景的辐射信号，影响定标精度。冷空反射镜漏射的能量有一部分漏射至主面，另一部分漏射至自由空间，在轨进行冷定标时，漏射至主面的能量进入馈源对冷定标的影响较大。冷空反射镜尺寸变大可以降低漏射率，但是会增加冷空反射镜对主天线遥感观测时的干涉影响。因此需对冷空反射镜进行赋形，使其在有限的尺寸大小约束内，降低它到主天线的漏射率(冷空反射镜到主镜口面的漏射率控制在0.15％内)，从而提高定标精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于馈源口面定标方式辐射计的冷空反射镜的赋形设计方法，通过对冷空反射镜进行特殊赋形，使冷空反射镜在对主天线遥感观测不产生物理干涉影响的前提下，降低到主天线的漏射率，提高定标精度。

本发明为一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法,对应用于馈源口面定标方式辐射计的冷空反射镜进行赋形，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定冷空反射镜的抛物线方程，并根据所述抛物线方程获得冷空反射镜的抛物面母体；

S2：确定冷空反射镜的偏置角；

S3：计算馈源的能量分布；

S4：计算冷空反射镜的轮廓线，具体的根据所述馈源的能量分布，计算出馈源中心线上距离馈源口面不同高度处的能量值；在经过馈源中心线的一平面上距离馈源口面不同高度处，计算出低于中心线能量同一个能量值的位置点的坐标值，将这些位置点的坐标值拟合成一条直线，该直线为冷空反射镜的截线；所述截线绕馈源中心线旋转一周，成为一个锥体；所述锥体与所述抛物面母体相交部分形成冷空反射镜的轮廓线。

一些实施例中，结合冷空反射镜的实际空间位置约束条件，根据冷空反射镜抛物线焦距对其相对于馈源口面仰角的影响，并结合冷空反射镜的实际空间位置约束条件，来选择冷空反射镜的抛物线方程的焦距。

一些实施例中，根据冷空反射镜的波束指向要求来确定冷空反射镜的偏置角；冷空反射镜的波束指向与冷空反射镜的抛物线的轴线平行，又因为波束指向与馈源中心线的角度由冷空反射镜的具体的安装位置决定，因此由波束指向与馈源中心线的角度来得到冷空反射镜的偏置角。

一些实施例中，当馈源的能量分布的圆对称性较差时，则计算多个平面上的截线方程，最后将多条截线方程拟合成一个体，再用拟合成的体与抛物面母体相交，形成冷空反射镜的轮廓线，其中多个平面上的截线方程的计算方法与S4中的计算方法相同。

一些实施例中，当冷空反射镜运用于多馈源系统中时，选择波束最宽的馈源照射作为输入条件进行冷空反射镜的赋形。

一些实施例中，步骤S4中，在经过馈源中心线的一平面上距离馈源口面不同高度处，计算出低于中心线能量28.5-30dB的位置点的坐标值，将其拟合成一条直线，该直线为冷空反射镜的截线。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有的优点和积极效果为：

本发明提供了一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，使得冷空反射镜对馈源的能量覆盖效果均匀，在一定的空间尺寸约束下，具有低漏射率的特点，且本发明适用于冷空反射镜应用于各种馈源口面定标方式的微波辐射计中。

附图说明

结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为冷空反射镜的三维立体图；

图2为冷空反射镜的截线图；

图3为采用本发明提供的方法获得的冷空反射镜和一般偏置抛物面的比较图。

符号说明：

1-冷空反射镜

2-连接法兰

3-安装支架

4-主天线

5-一般的偏置抛物面

6-采用本发明提供的方法获得的冷空反射镜

7-馈源

A-馈源中心线

B-抛物线

C-截线

D-冷空反射镜轴线

E-馈源喇叭

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

本发明的目的在于提供一种应用于馈源口面定标方式辐射计的冷空反射镜的赋形设计方法，其中冷空反射镜在辐射计冷空定标时，用于收集宇宙冷空背景的低辐射信号，进入馈源通道，最后进行数据处理实现冷空定标。如图1所示，冷空反射镜1的背后通过连接法兰2连接到安装支架3上，在通过安装支架3将冷空反射镜1固定安装在微波辐射计的轴系上。

本发明提供的一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，具体步骤如下：

S1，确定冷空反射镜的抛物线方程，根据抛物线方程获得冷空反射镜的抛物面母体；

具体的，确定冷空反射镜的抛物线方程的焦距，由于冷空反射镜抛物线的焦距影响了其口面相对于馈源口面的仰角，当抛物线焦距较小时，仰角大，冷空反射镜下边缘有较大能量漏射，要控制一定的漏射率，需要冷空反射镜的纵向尺寸大；当焦距较大时，仰角小，冷空反射镜上边缘有较大能量漏射，要控制一定的漏射率，需要冷空反射镜的横向尺寸大。结合上述因素以及实际空间位置约束条件，进行不断的调试，从而选择出合适的冷空反射镜的抛物线方程。最后根据冷空反射镜的抛物线方程，冷空反射镜的抛物线绕其主轴旋转一圈，从而获得冷空反射镜的抛物面母体。

S2，确定冷空反射镜的偏置角；

具体的，冷空反射镜为一偏置抛物面，冷空反射镜的偏置角是指为冷空反射镜的抛物线的轴线与馈源中心线的夹角，根据冷空反射镜的波束指向要求确定冷空反射镜的偏置角；由于冷空反射镜的波束指向与冷空反射镜的抛物线的轴线平行，又因为波束指向与馈源中心线的角度由具体的安装位置决定，因此由波束指向与馈源中心线的角度来得到冷空反射镜的偏置角。其中，冷空反射镜的波束指向是指其收集的从冷空背景传输过来的辐射信号的来波方向，辐射信号再由冷空反射镜汇聚至馈源。

S3：计算馈源的能量分布；

在近场区域，馈源的能量呈高斯分布。离馈源口面的距离越大，能量值越小；离馈源口面距离一定，离馈源中心线越远，能量值越小。用电磁场仿真软件计算出馈源喇叭口面E上方至冷空反射镜之间的近场区域的能量分布。

S4，计算冷空反射镜的轮廓线；

具体的，根据馈源的近场能量分布，读取馈源中心线上，距离馈源口面不同高度处的能量值。参考图2，在XOZ平面上距离馈源口面不同高度(即不同Z值)处，计算出低于中心线能量28.5-30dB的位置点，即X值；因为冷空反射镜边缘能量-28.5dB对应的漏射率为0.14％，-30dB对应的漏射率为0.1％，冷空反射镜的漏射率要求为小于0.15％，考虑到仿真计算与实际值的误差以及在保证漏射率满足要求的前提下使冷空反射镜的大小尽可能小的设计原则，故边缘能量控制在在-28.5dB至-30dB比较合适。在得到一组(X，Z)值后，将其拟合成一条直线，该条直线为冷空反射镜轮廓的截线。将截线绕馈源中心线旋转一周，形成一个锥体。该锥体与抛物面母体相交部分即是冷空反射镜的轮廓线。一般情况下，近似将馈源的能量分布看作是圆对称的，如馈源能量分布的圆对称性较差，则计算多个平面上的截线方程，计算方法与计算XOZ平面截线方程一样，最后将多条截线方程拟合成体，与抛物面相交部分即是冷空反射镜的轮廓线。

通过以上的设计，使得馈源照射冷空反射镜时，冷空反射镜在任意一个方位向上对电磁波的遮挡效果相同，冷空反射镜的边缘能量与离馈源口面同一高度的馈源中心线上的能量差值相等。这种情况下，整个冷空反射镜在防止漏射上的贡献均匀且最大化，冷空反射镜的利用率最高，即相同冷空反射镜尺寸大小，得到最低漏射率。

在多馈源辐射计系统中，冷空反射镜将宇宙冷空背景的低辐射信号依次收集进入各个馈源通道，此时应选择波束最宽的馈源作为输入条件进行冷空反射镜的赋形设计。

本发明通过对冷空反射镜进行特殊赋形，使冷空反射镜在对主天线遥感观测不产生物理干涉影响的前提下，降低了到主天线的漏射率，提高了定标精度，同时还减小了冷空反射镜的空间尺寸。

下面结合具体实施例，对本发明提供的一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，做进一步的说明：

按照上述方法，设计了应用于新一代多通道扫描微波成像探测仪定标系统的冷空反射镜。

冷空反射镜仰角为41.1°(即冷空反射镜口面与馈源口面的夹角)。抛物线方程为(单位mm)：

Y²+Z²＝4×100×X

冷空反射镜的偏置角为90°(即冷空反射镜轴线D与馈源中心线A的夹角)。在以顶点为原点，轴线为X轴的抛物线坐标系中，冷空反射镜的截线方程为Z＝1.94*X-279.35(单位mm)。结合冷空反射镜的抛物线B的方程和截线C的方程，设计出的冷空反射镜三维模型如图1所示。

为了能体现出根据本发明提供的方法获得的冷空反射镜的优势，将其与一般的偏置抛物面反射镜进行比较，如图3所示。冷空反射镜的包络范围比较如表1所示(X、Y、Z的方向参考图2)。10GHz和18GHz馈源照射时，冷空反射镜漏射率的比较如表2所示。

表1 冷空反射镜的包络范围比较

包络

X方向长度

Y方向长度

Z方向长度

一般抛物面	314.8mm	270.0mm	350.0mm
				本发明冷空反射镜	285.8mm	281.7mm	316.5mm

表2 冷空反射镜漏射率比较

漏射率	10GHz馈源照射	18GHz馈源照射
			一般抛物面	0.1353％	0.1161％
本发明冷空反射镜	0.1279％	0.1056％

由此说明，相对于一般的偏置抛物面反射镜，采用本发明提供的设计方法获得的冷空反射镜的空间尺寸减小了，同时冷空反射镜到主面的漏射率也降低了。

综上所述，本发明提供了一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，应用于馈源口面定标方式辐射计中，包括：S1确定冷空反射镜的抛物线方程，从而获得冷空反射镜的抛物面母体；S2：确定冷空反射镜的偏置角；S3：计算馈源的能量分布；S4：计算冷空反射镜的轮廓线，具体的根据馈源的能量分布，获得一条冷空反射镜的截线，截线绕馈源中心线旋转一周，成为一个锥体，该锥体与抛物面母体相交部分形成冷空反射镜的轮廓线。本发明提供的一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，通过对冷空反射镜进行特殊赋形，使冷空反射镜在对主天线遥感观测不产生物理干涉影响的前提下，降低了到主天线的漏射率，提高了定标精度。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管也已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (4)

1.一种微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，对应用于馈源口面定标方式辐射计的冷空反射镜进行赋形，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定冷空反射镜的抛物线方程，并根据所述抛物线方程获得冷空反射镜的抛物面母体；根据冷空反射镜抛物线焦距对其相对于馈源口面仰角的影响，并结合冷空反射镜的实际空间位置约束条件，来选择冷空反射镜抛物线的焦距；

S2：确定冷空反射镜的偏置角；根据冷空反射镜的波束指向要求来确定冷空反射镜的偏置角；冷空反射镜的波束指向与冷空反射镜的抛物线的轴线平行，又因为波束指向与馈源中心线的角度由冷空反射镜的具体的安装位置决定，因此由波束指向与馈源中心线的角度来得到冷空反射镜的偏置角；

S3：计算馈源的能量分布；

S4：计算冷空反射镜的轮廓线，具体的根据所述馈源的能量分布，计算出馈源中心线上距离馈源口面不同高度处的能量值；在经过馈源中心线的一平面上距离馈源口面不同高度处，计算出低于中心线能量同一个能量值的位置点的坐标值，将这些位置点的坐标值拟合成一条直线，该直线为冷空反射镜的截线；所述截线绕馈源中心线旋转一周，成为一个锥体；所述锥体与所述抛物面母体相交部分形成冷空反射镜的轮廓线。

2.根据权利要求1所述的微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，其特征在于，当馈源的能量分布的圆对称性较差时，则计算多个平面上的截线方程，最后将多条截线方程拟合成一个体，再用拟合成的体与抛物面母体相交，形成冷空反射镜的轮廓线，其中多个平面上的截线方程的计算方法与S4中的计算方法相同。

3.根据权利要求1所述的微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，其特征在于，当冷空反射镜运用于多馈源系统中时，选择波束最宽的馈源照射作为输入条件进行冷空反射镜的赋形设计。

4.根据权利要求1所述的微波辐射计冷空反射镜的赋形设计方法，其特征在于，步骤S4中，在经过馈源中心线的一平面上距离馈源口面不同高度处，计算出低于中心线能量28.5-30dB的位置点的坐标值，将其拟合成一条直线，该直线为冷空反射镜的截线。