CN1056237C - 飞机起飞、着路用微波遥感成像仪 - Google Patents

Abstract

一种能够在低能见度的大雾天气中保证飞机安全起飞着路的微波遥感成像仪，其特征是采用了把具有多路微波辐射计系统3和4的两个直线排列的天线阵1和2的与具有两个正交设置的多通道Bragg盒9和13的声光信息处理系统相结合的方法，实现了能接收到地面物体极其微弱的微波辐射能量，经过光电转换处理后，将机场及其跑道的位置和状态随机地显示出来。这种成像仪具有在大雾和黑暗中看到机场跑道体积小、重量轻、处理速度快、分辨率高等优点。

Description

飞机起飞、着路用微波遥感成像仪

本发明属于航空仪器仪表。

导航是保障飞机自起飞到着路过程正确、安全飞行的措施。空中飞行导航系统已从地标导航、航位推算导航、天文导航发展到现在的无线电导航，其中比较先进的是罗兰C导航、Ω导航、子午仪卫星导航和GPS导航。这些导航方法足以保证飞机在航线上飞行。然而在飞机起飞和着路时使用的着路系统—仪表着路系统、微波着路系统和雷达着路系统，还脱离不开在飞机接近跑道时要靠驾驶员目视跑道情况来操纵着路。一旦天气有雾，能见度小於200米，飞机就无法起飞、着路，强行或盲目处置则带来很大的危险，乃至付出惨重的代价。目前国内外尚没有一种保障飞机在大雾中安全准时起飞、着路的仪器设备和方法，致使每年由于大雾天气造成世界各国空港的很大损失。到目前为止，仅发现英国New-Scientist 1992rh 9月26日报导了美国正在研制在雾中能帮助飞行员着路的热相机的消息，具体细节未见报导。美国专利(US5,248,977公开日1993年9月28日)公开了一种一维电子成象扫描器，其中提到：微波成象设备通常采用二维聚焦平面阵列，其中透镜或其它聚焦元件被用于将来自所能看到的地面的微波聚焦到所述阵列上。该平面内的每个聚焦平面元件接收微波，并将其转换为电子输出信号，以用于该图象的视频显示。而由一个阵列元件产生的每个输出信号被映射为一个图象元素。而在其所公开的发明中，它在微波聚焦平面传感器阵列之前实用了一个色散波导楔。

本发明的目的是利用雾对厘米波的低吸收率(0.2d B/1km)、声光处理信息的高速率和高分辨率，以及CCD探测器的高响应速度，采用集微波遥感技术、声光晶体技术、激光技术及快速成像技术为一体的方案，制造一种体积小、重量轻，能安装在飞机前端的集接收信号、信号处理和成像为一体的(显示器在驾驶仓中供驾驶员看)，在大雾时使飞机驾驶员在1000米左右的距离就能够找到机场，在500米左右的距离就能看清跑道，像晴天一样自由起飞、着路的仪器，其角度分辨率为≤1°。

本发明的原理。根据Planck定理，处于绝对零度(-273℃)以上的物质，在全频段上都以电磁波的形式向外辐射能量。不同波段的探测器可以检测到相应波段的辐射能量。微波辐射计就是检测物体辐射中微波波段能量的遥感探测器。经过对接收信号的处理就可以从中提取所需的信息，如物体的性质、所处的位置和状态等。在微波波段物体辐射的功率谱密度为：其中：k为Boltzman常数「1.38·10^-23W·S·K^-1」，T为物体的物理温度[K]，它与观测天线对物体的方位有关，一般记为T(θ)，θ、是以天线为原点的球坐标角度，λ为波长[m]

天线接收物体的能量等於对整个天线口径的辐射强度的积分，经计算为：

         P_R＝k·ε·T·ΔF                 ……(2)其中：ε为物体发射率，ΔF为接收系统带宽[Hz]。从式2可知接收到的物体辐射强度与物体温度有关，与表征物体性质的发射率ε有关，带宽越宽接收信号越强，改写式(2)： $\mathrm{\ϵ}\·T=\frac{P_R}{R\·\mathrm{of}}=T_b---\left(3\right)$ 称T_b为物体的亮度温度，在相同环境温度下，不同物体有不同的亮度温度，从测得的不同亮度温度T_b可以区别出物体，通过辐射计测量不同物体可以得到它们的亮度温度，如在厘米波段，草地与混凝土相差约50K，混凝土与土壤相差约35K，混凝土与沥青相差20K。

如前所述，本发明的目的是实现瞬间观测机场及其跑道的情况，要得到关于被测物体的性质，位置和形状等方面的信息，这是用雷达和普通机载微波辐射计所不能实现的。用雷达扫描地面，从大量而强的回波中提取地面图像需要采取用极快速的信号处理方式，这在技术上是很难实现的，达不到实时观看的目的。用微波辐射计取得地面图，就是用毫米波也需用几十米长的天线才能有分辨出机场跑道的分辨率。为了快速准确地处理信息并使仪器设备小型化，本发明采用了微波辐射计接收地面物体所辐射的微弱信号，用声光晶体和Fourier变换进行信号处理，合理布置微波辐射计天线阵和声光晶体的声光换能器电极的位置，就能产生等效锐化波瓣的效果，经过Fourier透镜变换，获得地面物体高分辨率图像。如附图所示，具有多个小型天线的两个成直线排列的天线阵—X向天线阵1和Y向天线阵2的轴线交角成锐角，被测物体的辐射波与这两组天线阵的法线分别成θ_x、θ_y角。由于天线阵上的每一个天线与被测物体的距离不等，所以接收的同一个波前面的时间亦不同，相对有一个延时。这个延时是后面经放大、声光处理获得物体位置θ_x、θ_y的主要依据。

X向天线阵所接的微波信号经过多通道的外差式放大器混频放大后输出的声频信号被送至被设计成能够产生多通道动态变化的光栅—多通道Bragg9盒中。激光器7发出的激光束经过Bragg盒9的衍射，经Fourier透镜11的变换后就可以得到关于天线阵所接收的物体的X方向强度和方位θ_x定量信息。而Y方向的天线阵接收到的辐射波经过外差式放大器系统的相同处理后得到的声频信号加到与前一个多通道Bragg盒9正交(90°)放置的相同结构的Bragg盒13上，对前面的衍射光再次进行衍射，经过Fourier透镜15的变换后，输出光束中又含有了Y方向的强度、方位θ_y的定量信息。至此就可以在显示屏18上给出天线阵所接到的地面物体的图像——几何位置和辐射强度图，如混凝土跑道、草地或土地以及可能出现在跑道或着陆点上的物体的性质和位置。

如附图所示，本发明由三部分构成，即微波辐射计系统、声光信号处理系统和摄像显示系统。微波辐射计系统是由两组线性排列、线轴交角为锐角的天线阵—X向天线阵1和Y向天线阵2，两组与天线阵相对应的外差式低噪声、高灵敏度、高稳定性的多通道微波放大器3和4组成，两组外差式多通道放大器共用一个本机振荡器6，由多路功率分配器5分配功率；声光信号处理系统由激光源7、扩束透镜8、X阵多通道Bragg盒9、Fourier透镜11、扩束透镜12、Y阵多通道Bragg盒13、Fourier透镜15和CCD成像阵列16组成，X和Y阵多通道Bragg盒9和13上分别设置有电声换能器10和14。为了保证图像不失真，换能器的电极的间距的比等天线阵元的间距比。为了增强Bragg盒衍射通道的相干作用，选择了合适的天线间距比微波波长与电声换能器间距比激光波长的比例因子。摄像显示系统由图象显示装置17和屏幕显示器18组成。具体工作过程如下：由X向天线阵1所接收到的地面物体的辐射波分别进入各个阵元所对应的外差式放大器，经过场放后与本振6产生的固有振荡频率的信号混频后形成中频信号，再经过中放功放后，加到X阵多通道Bragg盒9的电声换能器10对应的电极上，变换成声信号驱动Bragg盒9中的声光晶体的折射率发生变化，形成动态变化光栅。激光器7发出的激光束经扩束透镜8的扩束后，以平面波的形式射入动态变化的光栅中，产生衍射，衍射光经过Fourier透镜11后，输出光束的强度和位置分布代表了被测目标的辐射强度和在X轴向的位置的信息。在同一过程中，由Y向天线阵2接收到的信号，经过相同过程的处理，到声光换能器14，变成声信号进入多通道Bragg盒13上形成一个动态变化的光栅，已被衍射的光束经扩束透镜12扩束后进入Y阵多通道Bragg盒13，再次被衍射，再经过Fourier透镜15变换后，得到被测目标强度和在X向和Y向的位置的信息θ_x、θ_y都呈现在CCD阵列16的耙平面上，经摄像机拍摄后在显示屏18上显示出图像来。整个过程是在微波和光的处理下完成的，实现了瞬间观测，从根本上解决了飞机在大雾等能见度很低的情况下起飞和着路的安全保障问题。

附图说明飞机起飞、着陆微波遥感成像仪方框图：1、X向天线阵2、Y向天线阵3、X向多通道外差式放大器4、Y向多通道外差式放大器5、多路功率分配器6、本机振荡器7、激光源8、扩束透镜9、X阵多通道Bragg盒10、电声换能器11、Fourier透镜12、扩束透镜13、Y阵多通道Bragg盒14、电声换能器15、Fourier透镜16、CCD阵列17、图象显示装置18、图像显示器。

本发明的实施例X和Y向天线阵1和2分别由4个啦叭形天线组成，天线阵线轴交角35°，喇叭形天线间距分别为0,330,561,945[mm]，八套外差式放大器都设计有X波段低噪声场放大器，带宽为±10MHE，天线与放大器之间用低损馈线联接；X向的4个外差式放大器的输出端与X阵多通道Bragg盒9的电声换能器10的4个电极相连接，Y向的4个外差式放大器的输出端与Y阵多通道Bragg盒13的电声换能器14的4个电极相连接，电声换能器的电极间距分别为0，1.5，2.5，4.3[mm]。激光器为He-Ne激光器，Bragg盒的声光晶体为LiNbO₃单晶，尺寸为20×20×2mm，声光晶体工作在150MHZ下。CCD为1024×1024的面阵。

Claims (5)

1、一种用于飞机起飞、着路的微波遥感成像仪，通常采用二维聚焦平面阵列，其中透镜或其它聚焦元件被用于将来自所能看到的地面的微波聚焦到所述阵列上，该平面内的每个聚焦平面元件接收微波，并将其转换为电子输出信号，以用于该图象的视频显示，而由一个阵列元件产生的每个输出信号被映射为一个图象元素，在微波聚焦平面传感器阵列之前有时便用一个色散波导楔，本发明特征是由多个天线构成的两组天线阵——X向天线阵(1)和Y向天线阵(2)，每个天线阵后面都设置有与天线阵上的天线数量相等的各自独立的外差式放大器系统(3)和(4)，本机振荡器(6)通过多路功率分配器(5)与外差式放大器系统(3)和(4)中的每个放大器相连接，多通道外差式放大器系统(3)的每个输出端分别与X阵多通道Bragg盒(9)的电声换能器(10)的电极相连接，多通道外差式大器系统(4)的每个输出端分别于Y阵列多通道Bragg盒(13)的电声换能器(14)的电极相连接，激光源(7)、扩束透镜(8)、X阵多通道Bragg盒(9)、Fourier透镜(11)、扩束透镜(12)、Y阵多通道Bragg盒(13)、Fourier透镜(15)以及CCD阵列(16)固定在同一个轴线上，图象显示装置(17)聚焦于CCD(16)阵列平面上，输出端与图像显示器(18)的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的微波遥感成像仪，天线阵(1)和(2)上的天线是喇叭状的并且是直线排列的。

3、根据权利要求1所述的微波遥感成像仪，两组天线阵(1)和(2)的直线轴的交角为锐角。

4、根据权利要求1所述的微波遥感成像仪，天线阵(1)和(2)上的天线间距之比等于X阵和Y阵多通道Bragg盒(9)和(13)的电声换能器(10)和(14)的电极间距之比。

5、根据权利要求1所述的微遥感成像仪，X阵多通道Bragg盒(9)和Y阵多通道Bragg盒(13)是正交(90°)设置的。

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