CN110118968B - 倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波遥感领域,公开了一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法;辐射计包括:倾斜四反射板、天线阵列和阵列分布的N个接收通道;倾斜四反射板包括第一反射板、第二反射板、第三反射板和第四反射板,四块反射板拼接形成喇叭状反射体,喇叭状反射体具有两个面积大小不同的矩形开口,倾斜四反射板用于反射场景辐射信号;天线阵列包括N个阵列分布的天线单元,用于接收来自观测场景的辐射信号和反射板反射的辐射信号;接收通道用于将天线单元接收到的信号进行处理后输出。本发明由于采用了四反射板结构,使得镜像天线阵尺寸比实体天线阵尺寸大,比使用两块反射板结构的镜像天线阵也要大,因而可以获得更高的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明属于微波遥感及探测技术领域,更具体地,涉及一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法。
背景技术
综合孔径辐射计将多个小天线合成等效的大天线孔径,并采用稀疏阵列排布,减少了天线的重量和体积,从而提高空间分辨率。但是这种优势是以系统结构和信号处理复杂度为代价的,特别是在大型综合孔径辐射计系统中,如星载综合孔径辐射计,这就限制了空间分辨率的进一步提高。
近年来,镜像综合孔径辐射计用于提高空间分辨率,镜像综合孔径辐射计中的每个天线接收来自场景的直射信号以及反射板反射的信号,每个天线对输出的互相关包含两个空间频率。
相比于综合孔径辐射计,在相同天线数的情况下,镜像综合孔径辐射计可以获得更多的空间频率,因此镜像综合孔径辐射计可以获得更高的空间分辨率。但对于二维双反射板而言,一个实体天线阵列只能扩展为2*2倍的镜像阵列,这个镜像阵列的尺寸决定了空间分辨率。现有技术中镜像综合孔径阵列如图1所示,其等效的镜像阵列如图2所示。
现有的镜像综合孔径辐射计的空间分辨率受限于天线数目和阵列排布,对于高空间分辨率的要求,所需的天线太多。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法,旨在解决辐射计空间分辨率较低的问题。
本发明提供了一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计,包括:倾斜四反射板、天线阵列和阵列分布的N个接收通道;倾斜四反射板包括:第一反射板、第二反射板、第三反射板和第四反射板,四块反射板拼接形成喇叭状反射体,所述喇叭状反射体具有两个面积大小不同的矩形开口,小开口用于套设在所述天线阵列上,大开口用于对准测量场景的辐射;所述倾斜四反射板用于反射信号;天线阵列包括N个阵列分布的天线单元,用于接收来自观测场景的辐射信号和所述倾斜四反射板反射的辐射信号;每一个接收通道对应一个天线单元,所述接收通道用于将天线单元接收到的信号进行下变频、滤波和放大处理后输出;N为大于等于2的整数。
相比镜像综合综合孔径,倾斜四反射板镜像由于采用了四反射板结构,可以得到更大的镜像阵列,从而多倍提高空间分辨率;由于四反射板封闭性比双反射板更好,倾斜四反射板镜像可以更好的保护天线阵列和保持其清洁。
更进一步地,第一反射板、第二反射板、第三反射板和第四反射板的形状均为等边梯形,且四块反射板的反射率均大于0.9。
更进一步地,拼接时相对设置的第一反射板和第三反射板的形状相同;相对设置的第二反射板和第四反射板的形状相同。
更进一步地,第一反射板和第二反射板相对于天线阵列平面法线的角度分别为和其中,Lb1、Lt1、S分别表示第一反射板的底边长、上边长和斜边长;Lb2、Lt2、s分别表示第二反射板的底边长、上边长和斜边长。
设天线阵列为矩形分布,且两边与两个反射板的上边长度相同,那么根据前面的结果可以得到镜像阵列在天线阵列平面投影的矩形的两边长度分别为:Lt1·(1+2arccosαx)和Lt2·(1+2arccosαy),其中αx和αy为前面提到的反射板相对天线阵列平面法线的角度。现有的镜像综合孔径技术在同样阵列下能够得到的镜像阵列尺寸为2Lt1和2Lt2,因此,当反射板倾角小于60度时,四反射板就能得到比镜像综合孔径更大的镜像阵列,从而得到更高的空间分辨率。
更进一步地,镜像综合孔径辐射计还包括:AD阵列和信号处理器;AD阵列包括N个AD单元,每个AD单元的输入端连接至相对应的接收通道的输出端,用于将接收通道的输出进行模数转换;信号处理器的输入端分别连接至N个AD单元的输出端,用于对N个AD单元的输出进行相关运算、误差校正以及亮温重建后获得测量场景的亮温。
更进一步地,信号处理器包括:依次连接的相关运算模块、误差校正模块和亮温图像重建模块;相关运算模块用于对N个AD单元的输出进行相关运算并输出双通道间的相关值;误差校正模块用于对双通道相关值进行误差校正后输出校正了误差的相关值;亮温图像重建模块用于对校正了误差的相关值进行亮温重建后获得测量场景的亮温。
本发明还提供了一种基于倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计的成像方法,包括下述步骤:
S1根据天线位置和反射板倾角获得反射天线位置;
S2根据所述天线位置和所述反射天线位置获得倾斜四反射板天线阵列的双天线互相关输出函数;
S3将所述双天线互相关输出函数的积分形式离散化为求和形式获得基于互相关输出的矩阵方程;
S4利用反演算法求解所述基于互相关输出的矩阵方程获得测量场景的亮温。
更进一步地,在步骤S1中,实体天线P的反射天线位置F1,F2,F3,F4,F12,F14,F32,F34分别为:A1=T1Ap,A2=T2Ap,A3=T3Ap,A4=T4Ap,A12=T1T2Ap,A14=T1T4Ap,A32=T3T2Ap,A34=T3T4Ap;其中,Ap为实体天线P的天线坐标向量,A1为实体天线P关于第一反射板镜像的天线坐标,T1为实体天线P关于第一反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A2为实体天线P关于第二反射板镜像的天线坐标,T2为实体天线P关于第二反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A3为实体天线P关于第三反射板镜像的天线坐标,T3为实体天线P关于第三反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A4为实体天线P关于第四反射板镜像的天线坐标,T4为实体天线P关于第四反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A12为实体天线P关于第一和第二反射板镜像的天线坐标,A14为实体天线P关于第一和第四反射板镜像的天线坐标,A32为实体天线P关于第三和第二反射板镜像的天线坐标,A34为实体天线P关于第三和第四反射板镜像的天线坐标。
更进一步地,在步骤S2中,所述双天线互相关输出函数为:
其中,bp(t)和bq(t)分别为天线P、Q输出信号,可以分解为1个直射信号和8个反射信号;
综上所述,本发明由于采用了四反射板的结构,与现有技术相比,具备如下技术优点:
(1)在天线阵相同的情况下,可多倍提高空间分辨率。
(2)由于四反射板的半封闭性,阻挡周围的干扰信号进入天线阵,可以保护天线阵列和保持清洁。
附图说明
图1为现有技术中镜像综合孔径天线阵列的结构示意图;
图2为现有技术中镜像综合孔径虚拟等效阵列示意图;
图3(a)为本发明实施例提供的倾斜四反射板实际阵列的结构示意图;
图3(b)为本发明实施例提供的倾斜四反射板镜像阵列的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的倾斜四反射板三视图;其中,(a)为正视图,(b)为侧视图,(c)为俯视图;
图5为本发明实施例提供的倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计示意图;
图6为本发明实施例提供的倾斜四反射板镜像综合孔径成像方法的实现流程图;
图7为本发明实施例提供的实际和镜像天线位置变化示意图;
图8(a)为本发明实施例提供的倾斜四反射板电暖器仿真原始场景;
图8(b)为本发明实施例提供的倾斜四反射板电暖器仿真结果;
图9(a)为本发明实施例提供的倾斜四反射板单点源仿真结果;
图9(b)为本发明实施例提供的倾斜四反射板单点源仿真结果的一维剖分;
图10(a)为本发明实施例提供的镜像综合孔径单点源仿真结果;
图10(b)为本发明实施例提供的镜像综合孔径单点源仿真结果的一维剖分;
图11(a)为本发明实施例提供的综合孔径单点源仿真结果;
图11(b)为本发明实施例提供的综合孔径单点源仿真结果的一维剖分;
图12为本发明实施例提供的单点源实验场景;
图13为本发明实施例提供的单点源实验结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明涉及微波遥感及探测技术领域,具体涉及用于被动微波遥感的镜像综合孔径辐射计,可作为地球遥感、月球遥感、深空探测等的遥感器。为了进一步提高空间分辨率,本发明实施例提供了一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法,其目的是将一个实体天线阵扩展为更多倍的镜像阵列,根据倾斜四反射板镜像综合孔径微波辐射测量原理的分析,等效的镜像阵列的尺寸至少是实体天线阵尺寸的3*3倍,因此其空间分辨率至少是实体天线阵的3*3倍,也就是倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计至少可以提升空间分辨率3*3倍。实体天线阵和四反射板的结构如图3(a)所示,等效的镜像天线阵和实体天线阵如图3(b)所示。
图5示出了倾斜四反射板镜像综合孔径模型,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,详述如下:
倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计包括:倾斜四反射板、天线阵列和接收通道。倾斜四反射板包括:由四块反射率大于0.9的等边梯形板材(包括但不限于金属)拼接而成的喇叭状反射体,拼接时相对的两块板材形状一致(不限制相邻两块的形状是否相同),设其中一种形状的梯形几何参数为:底边长Lb1,上边长Lt1,斜边长S,另一种形状的梯形几何参数为:底边长Lb2,上边长Lt2,斜边长S,两种梯形的斜边长度相等,那么可以计算四反射板在两个方向的倾角分别为和拼接而成的四反射板有两个面积大小不一的矩形开口,其中的小开口套在天线阵列上,大开口对准辐射测量场景。其中四反射板的三视图如图4所示,其中(a)是正视图,(b)是侧视图,(c)是俯视图。
天线阵列用于接收来自观测场景的辐射信号以及四反射板反射的辐射信号。天线阵列用基本单元-对天线ap和aq表示,反射板在两个方向的倾角分别为αx和αy,bd(t)表示来自观测场景的辐射信号,br(t)表示来自反射面反射的信号。
接收通道阵列包括多个接收通道,一个接收通道对应一个天线单元,接收通道将天线单元接收到的信号进行下变频、滤波和放大。A/D阵列与接收通道阵列一一对应,将接收通道中的模拟信号转换为数字信号。相关器将经过A/D阵列转换后的信号两两进行相关,相关后的输出为相关函数。
本发明实施例提供的成像方法通过倾斜四反射板,得到天线阵列的双天线互相关输出函数,将互相关函数离散化为矩阵方程,最后通过反演算法求解矩阵方程,得到场景亮温。总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,由于采用了四反射板的结构,可以获得更大的镜像阵列,从而采集更高的空间亮温分布的频率,获得相同空间分辨率的同时,同时极大地减少所需天线数,进而极大地降低综合孔径辐射计的体积和重量。
本发明针对上述镜像综合孔径辐射计,还提供了倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计的成像方法,包括下述步骤:
S1根据天线位置和反射板倾角,得到反射天线位置;
其中,天线位置指天线阵列中每个天线的三维坐标,反射板倾角指反射板相对于天线阵列平面之法线的角度,通过这个角度可以得到反射板的坐标变换矩阵,将之与天线的坐标相乘,得到天线相对反射板的镜像天线的坐标。
S2根据天线位置和反射天线位置,得到倾斜四反射板天线阵列的双天线互相关输出函数;
其中,天线阵列指倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计系统含有多个天线,两个天线的位置差的矢量决定了它们输出相关值的频率,这个频率决定了成像的空间分辨率,由于采用了四反射板结构,使得镜像天线位置差比实体天线位置差大,比使用两块反射板结构的最大位置差也要大,因此可以获得比这两种情况更高的空间分辨率。
S3将互相关输出函数的积分形式离散化为求和形式,得到基于互相关输出的矩阵方程;
其中,互相关输出函数是辐射计接收场景亮温的空间频率的函数,与场景亮温和辐射计前端(包括四反射板和天线阵列)相关,理论上用积分形式表达,实际操作中将场景亮温离散化得到矩阵方程,该方程联系了场景亮温分布、辐射计前端和双天线输出互相关,由于辐射计前端和双天线输出互相关已知,通过求解该方程,就可以得到场景亮温分布。
S4利用常规的反演算法求解基于互相关输出的矩阵方程,得到场景亮温。其中,常规的反演算法有MP广义逆法、Tikhonov正则化法、截断奇异值法等。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计的成像方法,现结合具体实例并参照附图详述如下:
如图6所示,本发明实施例提供的上述倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计成像方法具体包括下述步骤:
(1)如图7所示,对于实体天线P,其天线坐标用向量Ap表示为[xp,yp,zp]T,那么关于第一反射板镜像的天线坐标为:
A1=T1Ap
其中,T1为实体天线关于第一反射板的镜像天线坐标的变换矩阵,可表示为:
同理可得,实体天线P关于第二反射板,第三反射板,第四反射板的镜像天线坐标为:
A2=T2Ap
A3=T3Ap
A4=T4Ap
其中,T2、T3、T4分别为实体天线关于第二反射板,第三反射板,第四反射板的镜像天线坐标的变换矩阵,可表示为:
每个实体天线会产生8个虚拟天线位置,现在取F1,F2,F3,F4,F12,F14,F32,F34这8个位置的镜像天线,其中每个天线的坐标为:F1:A1=T1Ap,F2:A2=T2Ap,F3:A3=T3Ap,F4:A4=T4Ap,F12:A12=T1T2Ap,F14:A14=T1T4Ap,F32:A32=T3T2Ap,F34:A34=T3T4Ap。
其中,F1表示信号经过第一反射板后到达实体天线。同理F12表示信号依次经过第一反射板和第二反射板后到达实体天线。
(2)根据天线位置,得到天线阵列的双天线互相关输出函数。相关运算的过程可表示为:双天线的互相关输出为:
其中bp(t)和bq(t)为天线P、Q输出信号,可以分解为1个直射信号和8个反射信号,直射信号相关值表示为:
其中TΩ(θ)为场景亮温。反射信号相关值表示为:
其中rP和rQ可取1、2、3、4、12、14、32、34,前四个为一次反射信号,后四个为二次反射信号。
(4)利用常规的反演算法求解基于互相关输出的矩阵方程或者基于自相关输出的矩阵方程,得到场景亮温。
常规的反演算法包括MP广义逆法、Tikhonov正则化法、截断奇异值法。倾斜四反射板镜像综合孔径的相关输出属于第一类Fredholm积分方程,具有全连续算子的第一类积分方程即使有解也是不稳定的。此外,实际获取的测量数据不可避免地含有系统误差和噪声,这将导致近似解对于真解的严重偏离。由于矩阵的欠定性,基于MP广义逆的矩阵反演就是非常不适定的。为了获取不适定问题的稳定近似解,就需要用到正则化方法。正则化方法的基本思想就是利用具体问题某些附加信息对不适定问题解的概念重新定义,进而引进镇定泛函来给出一个逼近原问题解的稳定的方法,即找出一个合适的逆算子,使得稳定近似解。
因此在考虑系统误差和噪声的情况下,利用截断奇异值分解以及Tikhonov正则化获取镜像综合孔径亮温的稳定近似解。
相比现有的镜像综合孔径技术,倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计使用了四反射板结构,使得镜像阵列尺寸进一步增大,从而可以多倍提高空间分辨率;另外,四反射板是一种半封闭结构,封闭性比镜像综合孔径使用的双反射板要更好,更有利于保护天线阵列和保持其清洁。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计及成像方法,现结合具体实例详述如下:
实施例1:电暖器仿真
该实施例中,对于天线阵列,天线排布为矩形阵,天线间间距为3.5λ,水平方向放置6个天线,竖直方向放置8个天线,四反射板的倾斜角度为9度。
具体步骤如下:
(1)设置仿真G矩阵采集区域为两个方向均为0到18度的正方形区域,划分为150乘150的点格,仿真设置原始亮温为:一个圆心为(30,40),内径为8,外径为15的圆环值为200,其余点为0,亮温分布如图8(a);
(2)设置天线位置为水平方向放置6个天线,竖直方向放置8个天线,四反射板在两个方向的倾角均为9度,求取反射天线位置;
(3)根据原始亮温分布和天线位置(包括反射天线)求得离散化的双天线相关输出R和G矩阵数据集合G;
(4)根据MP广义逆法求解矩阵方程R=GT,得到反演亮温如图8(b);
从反演结果来看,倾斜四反射板镜像综合孔径可以对电暖器成像,成像结果中电暖器轮廓清晰,背景纯净,验证了倾斜四反射板的原理。
实施例2:单点源仿真
该实施例中,对于天线阵列,天线排布为矩形阵,天线间间距为3.5λ,水平方向放置6个天线,竖直方向放置8个天线,四反射板的倾斜角度为9度。不改变阵型的情况下,另外进行镜像综合孔径和综合孔径的仿真,观察成像结果的差异。
具体步骤如下:
(1)设置仿真G矩阵采集区域为两个方向均为0到18度的正方形区域,划分为150乘150的点格,仿真设置原始亮温为除了(75,75)处值为1000外其余点为0的分布;
(2)设置天线位置为水平方向放置6个天线,竖直方向放置8个天线,四反射板在两个方向的倾角均为9度,求取反射天线位置;
(3)根据原始亮温分布和天线位置(包括反射天线)求得离散化的双天线相关输出R和G矩阵数据集合G;
(4)根据MP广义逆法求解矩阵方程R=GT,得到反演亮温如图9;
(5)同样亮温分布情况下仿真镜像综合孔径和综合孔径的亮温分布如图10和图11。
从反演结果来看,倾斜四反射板镜像综合孔径对单点源的仿真结果中点源清晰,背景纯净,且相比镜像综合孔径和综合孔径,点源的波束宽度有明显减小,可以提高空间分辨能力。
实施例3:单点源实验
该实施例中,对于天线阵列,天线排布为矩形阵,天线间间距为3.5λ,水平方向放置6个天线,竖直方向放置8个天线,四反射板的倾斜角度为9度,成像距离5米。测试场景为图12,单点源为一个噪声源。
(1)设置点源在一个35cm乘46cm的矩形区域内按照1cm的间距移动,得到一个36乘47的点源G矩阵数据集合;
(2)在G矩阵采集的区域内移动单点源,采集单点源成像数据;
(3)将G矩阵数据集合和单点源成像数据代入场景亮温的矩阵方程;
(4)根据Tikhonov正则化法求解矩阵方程,得到反演亮温如图13。
从反演结果来看,倾斜四反射板镜像综合孔径对单点源的成像结果中点源清晰,背景纯净。
以上实施例展示了本发明的效果:本发明可以减少天线单元数以及提高空间分辨率。特别的,系统使用了倾斜四反射板作为成像条件,提高了成像的空间分辨能力。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计,其特征在于,包括:倾斜四反射板、天线阵列和阵列分布的N个接收通道;
所述倾斜四反射板包括:第一反射板、第二反射板、第三反射板和第四反射板,四块反射板拼接形成喇叭状反射体,所述喇叭状反射体具有两个面积大小不同的矩形开口,小开口用于套设在所述天线阵列上,大开口用于对准测量场景的辐射;所述倾斜四反射板用于反射场景辐射信号;所述第一反射板和所述第二反射板相对于天线阵列平面法线的角度分别为和其中,Lb1、Lt1、S分别表示第一反射板的底边长、上边长和斜边长;Lb2、Lt2、S分别表示第二反射板的底边长、上边长和斜边长;
所述天线阵列包括N个阵列分布的天线单元,用于接收来自观测场景的辐射信号和所述倾斜四反射板反射的辐射信号;
每一个接收通道对应一个天线单元,所述接收通道用于将天线单元接收到的信号进行下变频、滤波和放大处理后输出;
N为大于等于2的整数。
2.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计,其特征在于,所述第一反射板、所述第二反射板、所述第三反射板和所述第四反射板的形状均为等边梯形,且四块反射板的反射率均大于0.9。
3.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计,其特征在于,拼接时相对设置的所述第一反射板和所述第三反射板的形状相同;相对设置的第二反射板和第四反射板的形状相同。
4.如权利要求1-3任一项所述的镜像综合孔径辐射计,其特征在于,镜像综合孔径辐射计还包括:AD阵列和信号处理器;
所述AD阵列包括N个AD单元,每个AD单元的输入端连接至相对应的接收通道的输出端,用于将接收通道的输出进行模数转换;
所述信号处理器的输入端分别连接至N个AD单元的输出端,用于对N个AD单元的输出进行相关运算、误差校正以及亮温重建后获得测量场景的亮温。
5.如权利要求4所述的镜像综合孔径辐射计,其特征在于,所述信号处理器包括:依次连接的相关运算模块、误差校正模块和亮温图像重建模块;
所述相关运算模块用于对N个AD单元的输出进行相关运算并输出双通道间的相关值;
所述误差校正模块用于对双通道相关值进行误差校正后输出校正了误差的相关值;
所述亮温图像重建模块用于对校正了误差的相关值进行亮温重建后获得测量场景的亮温。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的倾斜四反射板镜像综合孔径辐射计的成像方法,其特征在于,包括下述步骤:
S1根据天线位置和反射板倾角获得反射天线位置;
S2根据所述天线位置和所述反射天线位置获得倾斜四反射板天线阵列的双天线互相关输出函数;
S3将所述双天线互相关输出函数的积分形式离散化为求和形式获得基于互相关输出的矩阵方程;
S4利用反演算法求解所述基于互相关输出的矩阵方程获得测量场景的亮温。
7.如权利要求6所述的成像方法,其特征在于,在步骤S1中,实体天线P的反射天线位置F1,F2,F3,F4,F12,F14,F32,F34分别为:A1=T1Ap,A2=T2Ap,A3=T3Ap,A4=T4Ap,A12=T1T2Ap,A14=T1T4Ap,A32=T3T2Ap,A34=T3T4Ap;
其中,Ap为实体天线P的天线坐标向量,A1为实体天线P关于第一反射板镜像的天线坐标,T1为实体天线P关于第一反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A2为实体天线P关于第二反射板镜像的天线坐标,T2为实体天线P关于第二反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A3为实体天线P关于第三反射板镜像的天线坐标,T3为实体天线P关于第三反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A4为实体天线P关于第四反射板镜像的天线坐标,T4为实体天线P关于第四反射板的镜像天线坐标的变换矩阵;A12为实体天线P关于第一反射板和第二反射板镜像的天线坐标,A14为实体天线P关于第一反射板和第四反射板镜像的天线坐标,A32为实体天线P关于第三反射板和第二反射板镜像的天线坐标,A34为实体天线P关于第三反射板和第四反射板镜像的天线坐标。
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