CN111103001A - 一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法，装置包括：沿微波辐射方向依次设有级联天线反射面组、旋转扫描镜组、准光学馈电部；旋转扫描镜组包括驱动部、第一旋转扫描镜、第二旋转扫描镜、固定支架，第一旋转扫描镜、第二旋转扫描镜分别固定于固定支架的两端，第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜平行设置，固定支架的一端还与驱动部的转轴驱动连接，固定支架与转轴呈垂直设置，驱动部的转轴与第一旋转扫描镜呈45度夹角设置；准光学馈电部的入口与第一旋转扫描镜的中心点的连线与转轴的轴向方向平行。本发明利用旋转扫描镜的镜像作用使接收部分等效偏焦，实现波束圆周扫描，降低扰动力矩，提高波束扫描速率。

Description

一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法

技术领域

本发明属于微波辐射计波束扫描技术领域，尤其涉及一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法。

背景技术

微波遥感是上世纪60年代才付诸应用的新领域，微波辐射计是其中发展较为成熟的子领域。微波辐射计的云雨穿透性、全天候探测能力和对海洋与地表内部的探测能力，使其在气象、海洋、陆地、大气环境和深空探测等领域得到广泛应用。

微波辐射计通过天线接收观测场景自身辐射，通过馈电网络分频段、极化馈入各频段接收机，接收机把微波辐射信号转化为电信号，信息处理单元对信号进行采样和组帧，通过系统定标将电压值转化为亮温值，通过数据反演获取观测场景的各种物理参数。

现有技术中，微波辐射计观测场景不同部分时需要二维波束扫描。太阳同步轨道星载微波辐射计与观测目标有一维相对运动，则可在另一维度一般采用圆锥扫描或圆周扫描方式实现波束覆盖。在圆锥扫描方式中，辐射计电轴与旋转轴呈一定角度，天馈与接收部分整体绕旋转轴进行圆周运动，在地面上形成圆弧形波束足迹。在圆周扫描方式中，天线主反射面整体绕旋转轴进行一维圆周运动，在地面上形成线形波束足迹。在上述扫描方式中，微波辐射计需要整体运动，或需要天馈和接收部分整体运动。对于地球静止轨道微波辐射计，其反射面天线口径和质量均较大、且需对地二维快速扫描，采用上述扫描方式需要提供很大的驱动力矩，或对承载平台带来较大量级力矩干扰，使卫星平台无法补偿。如采用阵列电扫的方式，在观测频段较高时，难以控制振元相位的一致性，由此将严重影响探测精度，无法使用。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法，以实现局部区域快速扫描，提高微波辐射计扫描速率和减少干扰力矩的技术效果。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置，包括：沿微波辐射方向依次设有级联天线反射面组、旋转扫描镜组、准光学馈电部；

级联天线反射面组用于将微波辐射反射输入至旋转扫描镜组；

旋转扫描镜组包括驱动部、第一旋转扫描镜、第二旋转扫描镜、固定支架，第一旋转扫描镜固定于固定支架的一端，第二旋转扫描镜固定于固定支架的另一端，并且第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜相互平行设置，固定支架固定第一扫描镜的一端还与驱动部的转轴驱动连接，固定支架与转轴呈垂直设置，驱动部的转轴与第一旋转扫描镜呈45度夹角设置；

准光学馈电部的入口与第一旋转扫描镜的中心点的连线与转轴的轴向方向平行，位于级联天线反射面组输出的波束轴线上。

进一步优选地，还包括用于准光学馈电部校准的定标部，定标部包括星上热定标源和冷空反射镜，星上热定标源的辐射方向、冷空反射镜的反射方向均朝向旋转扫描镜组的圆周扫描面。

其中，上述的级联天线反射面组内沿微波辐射方向依次设有级联天线第一反射面、级联天线第二反射面和级联天线第三反射面。

进一步优选地，准光学馈电部还设有馈源、接收机和信息处理单元，接收机与馈源信号连接，用以将馈源接收的辐射能量转换成对应电信号；信息处理单元与接收机信号连接，用以对电信号进行转化得到亮温值。

一种静止轨道微波辐射计运动扫描方法，基于上述的静止轨道微波辐射计运动扫描装置，包括以下步骤：

S1：接收并反射外界的微波辐射信号；

S2：通过互相平行设置的第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜共同绕转轴旋转，对反射输出的微波辐射信号的空间曲线上各点进行二次镜像，以使微波辐射信号的波束定向输出；

S3：接收并测量波束定向输出的微波辐射信号。

进一步优选地，步骤S2中，根据波束扫描圆周半径计算出波束扫描圆周半径对应的接收等效位置横向偏移距离，以确定第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜之间的距离。

另外，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法设置波束定向输出的微波辐射信号的接收位置，等偏角馈源扫描轨迹优化方法包括以下步骤：

A1：作指向反射面的多条平行线；

A2：依据施奈尔定律，得到平行线经反射后的多条射线；

A3：将距离各射线距离平方和最小的位置作为最佳接收位置，并将各个方位角的最佳接收位置拟合成一个空间圆曲线；

A4：对空间曲线上的一点进行二次镜像，二次镜像后的位置即为实际接收位置。

进一步优选地，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法还设置第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜的镜面大小，步骤A4之后还包括步骤A5：

通过对第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜进行截取，截取边缘确定第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜的镜面大小。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明的第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜相互平行设置，通过镜像原理可实现馈源的二次镜像，并一起绕转轴旋转的圆周运动实现微波辐射计的波束圆周扫描，旋转扫描镜组对接收的微波辐射等效偏焦，实现波束指向偏轴，通过接收机即可得到圆周波束扫描图，由于上述旋转扫描镜远小于天线反射面，降低了微波辐射计整体扫描所需的运动幅度，从而降低微波辐射计承载平台的扰动力矩；并且由于旋转扫描镜组结构简单，减少了扫描速度较高的情况下所需大量的驱动力矩，提高了波束扫描效率；

此外，本发明具有一定的通用性，不仅可用于地球静止轨道微波辐射计中，还可用于各类微波辐射计和其它仪器天线波束扫描系统中。

附图说明

图1为本发明的旋转扫描镜组和驱动部的侧面结构示意图；

图2为本发明的旋转扫描镜组和驱动部的正面结构示意图；

图3为本发明的包括图1或图2装置的天线系统结构示意图；

图4为本发明的旋转扫描镜组对馈源位置的镜像示意图；

图5为本发明的旋转扫描镜组接收的角度范围示意图；

图6为本发明的静止轨道微波辐射计运动扫描方法的流程图。

附图标记说明：

1：第一旋转扫描镜；2：第二旋转扫描镜；3：固定支架；4：驱动部；5：转轴；6：准光学馈电部；7：定标部；71：冷空反射镜；72：星上热定标源；8：级联天线反射面组；81：级联天线第一反射面；82：级联天线第二反射面；83：级联天线第三反射面；9：馈源；10：第一镜像；11：第二镜像。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图3，本实施例提供一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置，包括：沿微波辐射方向依次设有级联天线反射面组8、旋转扫描镜组、准光学馈电部6；

级联天线反射面组8用于将微波辐射反射输入至旋转扫描镜组。其中，上述的级联天线反射面组8内沿微波辐射方向依次设有级联天线第一反射面81、级联天线第二反射面82和级联天线第三反射面83。

本实施例的级联天线反射面组8接收观测区域产生的微波辐射。首先，微波辐射经过级联天线反射面组8进入旋转扫描镜组：待测区域的微波辐射入射级联天线第一反射面81，然后该微波辐射在级联天线第一反射面81反射后，入射级联天线第二反射面82；接着该微波辐射在级联天线第二反射面82反射后，入射级联天线第三反射面83；最后微波辐射从级联天线第三反射面83反射后，入射进入旋转扫描镜组。

参看图1、图2和图3，旋转扫描镜组包括驱动部4、第一旋转扫描镜1、第二旋转扫描镜2、固定支架3，第一旋转扫描镜1固定于固定支架3的一端，第二旋转扫描镜2固定于固定支架3的另一端，并且第一旋转扫描镜1与第二旋转扫描镜2相互平行设置，固定支架3固定第一扫描镜的一端还与驱动部4的转轴5驱动连接，固定支架3与转轴5呈垂直设置，驱动部4的转轴5与第一旋转扫描镜1呈45度夹角设置；

本实施例中，第一旋转扫描镜1和第二旋转扫描镜2旋转扫描镜通过驱动部4绕转轴5转动，固定支架3与转轴5呈垂直设置，转轴5与第一旋转扫描镜1呈45度夹角；微波辐射进入旋转扫描镜组后，首先入射第二旋转扫描镜2，由于第二旋转扫描镜2的镜像反射作用，再入射第一旋转扫描镜1；由于第一旋转扫描镜1的镜像反射作用，微波辐射进入准光学馈电部6入口。第一旋转扫描镜1与第二旋转扫描镜2相互平行设置，保证了在转动过程中微波辐射信号有效传播。

准光学馈电部6的入口处与第一旋转扫描镜1的中心点的连线与转轴5的轴向方向平行，位于级联天线反射面组8输出的波束轴线上。

较优地，本实施例还包括用于微波辐射计标定的定标部7，定标部7包括星上热定标源72和冷空反射镜71，星上热定标源72的辐射方向、冷空反射镜71的反射方向均朝向旋转扫描镜组的圆周扫描面。

本实施例中，星上热定标源72发射产生微波辐射经旋转扫描镜组被准光学馈电部6接收；冷空反射镜71以太空为冷源反射太空微波辐射，该微波射辐经旋转扫描镜组被准光学馈电部6接收；上述星上热定标源72与冷空反射镜71共同作用下，对微波辐射计进行标定。

其中，参看图2和图5，以入射方向看旋转扫描镜组，现举例说明：假设第二旋转扫描镜2的位置会绕第一旋转扫描镜1进行逆时针转动，并以图2中第二旋转扫描镜2的位置为0度；当第二旋转扫描镜2的位置为0-180度，中间有一段角度为θ₁对应的弧，当第二旋转扫描镜2处于该弧位置时观测待测区域微波辐射；当第二旋转扫描镜2的位置为180-270度，中间有一段角度为θ₂的弧，当第二旋转扫描镜2处于该弧位置时观测星上热定标源72的微波辐射；当第二旋转扫描镜2的位置为270-0度，中间有一段角度为θ₂的弧，当第二旋转扫描镜2处于该弧位置时观测冷空反射镜71反射的微波辐射。

较优地，准光学馈电部6还设有馈源9、接收机和信息处理单元，馈源9与接收机信号连接，接收机将接收的辐射能量转换成对应模拟电信号；信息处理单元与接收机信号连接，用以对电信号进行采样和组帧得到数字电信号。

微波辐射进入准光学馈电部6的馈源9后进入各接收机，微波辐射并通过放大、混频、功分、滤波、检波、积分、低频放大后将微波辐射转换成对应电压值，信息处理单元对信号进行采样和组帧，通过从标定机构取得的信息将电压值转化为亮温值，通过数据反演获取观测场景的各种物理参数。

本实施例的第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜相互平行设置，通过镜像原理可实现馈源的二次镜像，并一起绕转轴旋转的圆周运动实现微波辐射计的波束圆周扫描，旋转扫描镜组对接收的微波辐射等效偏焦，实现波束指向偏轴，通过接收机即可得到圆周波束扫描图，由于上述旋转扫描镜远小于天线反射面，降低了微波辐射计整体扫描所需的运动幅度，从而降低微波辐射计承载平台的扰动力矩；并且由于旋转扫描镜组结构简单，减少了扫描速度较高的情况下所需大量的驱动力矩，提高了波束扫描效率；此外，本实施例具有一定的通用性，不仅可用于地球静止轨道微波辐射计中，还可用于各类微波辐射计和其它仪器天线波束扫描系统中。

实施例2

参看图6，本实施例提供一种基于实施例1的一种静止轨道微波辐射计运动扫描方法，包括以下步骤：

S1：接收并反射外界的微波辐射信号；

S2：通过互相平行设置的第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜共同绕转轴旋转，对反射输出的微波辐射信号的空间曲线上各点进行二次镜像，以使微波辐射信号的波束定向输出；

S3：接收并测量波束定向输出的微波辐射信号。

现对本实施例进行详细说明：

本实施例的步骤S1中，级联天线反射面组接收并反射外界的微波辐射信号。

本实施例的步骤S2中，根据波束扫描圆周半径计算出波束扫描圆周半径对应的接收等效位置横向偏移距离，以确定第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜之间的距离。

参看图3和图4，在本实施例步骤S2中，第一旋转扫描镜1和第二旋转扫描镜2均具有镜像性质，第一旋转扫描镜1接收馈源位置的第一镜像10，该第一镜像10位置与实际馈源位置分别在第一旋转扫描镜1两侧、完全对称；同样，第二旋转扫描镜2接收馈源位置的第二镜像11，第二镜像11位置与第一镜像10位置分别在第二旋转扫描镜2两侧，完全对称，因此该第二镜像11位置为馈源等效位置；所以由于旋转扫描镜组作用下使接收的微波等效偏焦，实现波束指向偏轴，使馈源接收实际馈源位置到馈源等效位置之间的波束；馈源等效位置与馈源实际位置横向偏移一定距离，该偏移距离即为第一旋转扫描镜1与第二旋转扫描镜2之间的距离。可根据馈源等效位置横向偏移距离与波束扫描圆周半径大小呈对应关系，由波束寻迹方法可计算出指定波束扫描圆周半径所对应的馈源等效位置与横向偏移距离；接着，根据波束扫描圆周与等效馈源位置的关系，拟合优化出等效馈源位置扫描的运动圆心和半径。

另外，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法设置波束定向输出的微波辐射信号的接收位置，等偏角馈源扫描轨迹优化方法包括以下步骤：

A1：作指向反射面的多条平行线；

A2：依据施奈尔定律，得到平行线经反射后的多条射线；

A3：将距离各射线距离平方和最小的位置作为最佳接收位置，并将各个方位角的最佳接收位置拟合成一个空间圆曲线；

A4：对空间曲线上的一点进行二次镜像，二次镜像后的位置即为实际接收位置。

本实施例中，具体的，运用等偏角馈源扫描轨迹优化方法，首先作与级联天线第一反射面的机械轴呈确定偏角、指向天线主反射面的多条平行线，平行线依据施奈尔定律经过天线各面反射后，在馈电区域产生多条射线；接着，求出距离各射线距离的平方和最小的位置，作为该入射方向的最佳馈源位置；然后，将0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度8个方位角的最佳馈源位置，拟合成一个空间圆曲线；最后作旋转扫描镜组对上述空间圆曲线上某一点进行二次镜像，使镜像后位置恰好位于级联天线第三反射面的波束轴线上，则镜像后的位置即为实际馈源位置。

优选地，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法还设置第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜的镜面大小，步骤A4之后还包括步骤A5：

通过对第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜进行截取，截取边缘确定第一旋转扫描镜和第二旋转扫描镜的镜面大小。

参看图3，在本实施例步骤A5中，向级联天线第一反射面81边缘作与该天线机械轴呈确定偏角、指向级联天线第一反射面81的微波圆柱，经过级联天线反射面组8反射后，对两个平行反射面进行截取，截取得到的两个相互平行的截面的大小，即为本实施例中第一旋转扫描镜1和第二旋转扫描镜2的大小。

本实施例由于微波辐射计观测场景不同部分时需要二维波束扫描。太阳同步轨道星载微波辐射计与观测目标有一维相对运动，而另一维度在本实施例中则采用旋转扫描镜组绕转轴转动实现波束覆盖，旋转扫描镜组与传统通过反射面天线转动的方式相比，旋转扫描镜组质量口径均小于反射面天线，能够局部区域快速扫描，提高微波辐射计扫描速率，减少转动对微波辐射计搭载平台的干扰力矩，解决静止轨道微波辐射计高时间分辨率扫描对平台大干扰力矩问题，使结果更加准确。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种静止轨道微波辐射计运动扫描装置，其特征在于，包括：沿微波辐射方向依次设有级联天线反射面组、旋转扫描镜组、准光学馈电部；

所述级联天线反射面组用于将微波辐射反射输入至所述旋转扫描镜组；

所述旋转扫描镜组包括驱动部、第一旋转扫描镜、第二旋转扫描镜、固定支架，所述第一旋转扫描镜固定于所述固定支架的一端，所述第二旋转扫描镜固定于所述固定支架的另一端，并且所述第一旋转扫描镜与所述第二旋转扫描镜相互平行设置，所述固定支架固定所述第一扫描镜的一端还与所述驱动部的转轴驱动连接，所述固定支架与所述转轴呈垂直设置，所述驱动部的转轴与所述第一旋转扫描镜呈45度夹角设置；

所述准光学馈电部的入口与所述第一旋转扫描镜的中心点的连线与所述转轴的轴向方向平行，位于所述级联天线反射面组输出的波束轴线上。

2.根据权利要求1所述的静止轨道微波辐射计运动扫描装置，其特征在于，还包括用于所述准光学馈电部校准的定标部，所述定标部包括星上热定标源和冷空反射镜，所述星上热定标源的辐射方向、所述冷空反射镜的反射方向均朝向所述旋转扫描镜组的圆周扫描面。

3.根据权利要求1或2所述的静止轨道微波辐射计运动扫描装置，其特征在于，所述级联天线反射面组内沿微波辐射方向依次设有级联天线第一反射面、级联天线第二反射面和级联天线第三反射面。

4.根据权利要求1所述的静止轨道微波辐射计运动扫描装置，其特征在于，所述准光学馈电部还设有馈源、接收机和信息处理单元，所述接收机与所述馈源信号连接，用以将所述馈源接收的辐射能量转换成对应电信号；所述信息处理单元与所述接收机信号连接，用以对所述电信号进行转化得到亮温值。

5.一种静止轨道微波辐射计运动扫描方法，其特征在于，基于如权利要求1-3任意一项所述的静止轨道微波辐射计运动扫描装置，包括以下步骤：

S1：接收并反射外界的微波辐射信号；

S2：通过互相平行设置的第一旋转扫描镜与第二旋转扫描镜共同绕转轴旋转，对反射输出的所述微波辐射信号的空间曲线上各点进行二次镜像，以使所述微波辐射信号的波束定向输出；

S3：接收并测量所述波束定向输出的所述微波辐射信号。

6.根据权利要求5所述的静止轨道微波辐射计运动扫描方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据波束扫描圆周半径计算出波束扫描圆周半径对应的接收等效位置横向偏移距离，以确定所述第一旋转扫描镜与所述第二旋转扫描镜之间的距离。

7.根据权利要求5所述的静止轨道微波辐射计运动扫描方法，其特征在于，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法设置所述波束定向输出的所述微波辐射信号的接收位置，所述等偏角馈源扫描轨迹优化方法包括以下步骤：

A1：作指向反射面的多条平行线；

A2：依据施奈尔定律，得到平行线经反射后的多条射线；

A3：将距离各射线距离平方和最小的位置作为最佳接收位置，并将各个方位角的最佳接收位置拟合成一个空间圆曲线；

A4：对所述空间曲线上的一点进行所述二次镜像，二次镜像后的位置即为实际接收位置。

8.根据权利要求7所述的静止轨道微波辐射计运动扫描方法，其特征在于，通过等偏角馈源扫描轨迹优化方法还设置所述第一旋转扫描镜与所述第二旋转扫描镜的镜面大小，所述步骤A4之后还包括步骤A5：

通过对所述第一旋转扫描镜和所述第二旋转扫描镜进行截取，截取边缘确定所述第一旋转扫描镜和所述第二旋转扫描镜的镜面大小。

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