CN113740806B - 一种三面角反射器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三面角反射器及其使用方法，包括主反射体、底座、俯仰机构、方位机构、水平机构和相位中心基准机构，主反射体包括由三个相互正交的等腰直角三角形构成的发射信号反射面，该三个等腰直角三角形的交点为三面角反射器的相位中心；底座用于承载主反射体；俯仰机构调整主反射体的俯仰指向；方位机构调整主反射体的方位指向；水平机构调整底座上表面至水平；相位中心基准机构固定于底座下方并支撑底座，用于提供整个三面角反射器旋转的方位转轴，方位转轴轴心线上一点作为相位中心测量基准O，该相位中心测量基准O作为三面角反射器本地直角坐标系的原点，用于确定相位中心D的三维大地坐标。
Description
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，特别涉及一种具有指向快捷调整且相位中心精确的SAR三面角反射器及其使用方法。
背景技术
三面角反射器是一种常见的无源定标器，通过三个相互正交的等腰直角三角形构成主反射体，能够模拟标准点目标，用于机/星载合成孔径雷达(SAR)的图像质量评价及几何、干涉、辐射、极化定标。SAR定标要求三面角反射器具有水平、方位和俯仰三维指向调整能力，从而实现三面角反射器的峰值指向与SAR天线的对准，从而获得三面角反射器的标称雷达截面积(RCS)或散射矩阵；SAR几何和干涉定标还要求三面角反射器的相位中心位置，能够提供位置基准，从而能够通过大地测量获取其准确三维位置；对于星载SAR定标应用，往往还要求三面角反射器能够满足SAR卫星升轨和降轨双向覆盖，即需要方位向大角度调整能力。
现有的SAR三面角反射器存在以下问题：
(1)大多数三维指向调整能力，不能满足快捷高精度辐射和极化定标要求；
(2)常见的三面角反射器只具有俯仰调整能力，方位指向只能通过人工搬移方式来实现对准，水平指向和方位指向调整耦合，需要反复调整，调整速度慢，费时费力且精度低，调整过程中相位中心或相位中心基准的位置不可控，引入几何和干涉定标误差；
(3)采用复杂的二维伺服转台方式实现方位和俯仰的调整，占地面积大，成本高，并且需要野外大功率供电，对于大尺寸低频端上百公斤的三面角反射器来说，伺服转台要求极高，难以大批量使用，并且往往忽略了相位中心基准问题，不能满足几何和干涉定标要求。
发明内容
本发明的目的在于解决三面角反射器三维指向快捷调整和相位中心精确确定的技术问题。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种三面角反射器，包括主反射体、底座、俯仰机构、方位机构、水平机构和相位中心基准机构，其中，
所述主反射体包括由三个相互正交的等腰直角三角形构成的发射信号反射面，该三个等腰直角三角形的交点为三面角反射器的相位中心；
所述底座用于承载主反射体，并提供与俯仰机构、方位机构、水平机构和相位中心基准机构连接的机械接口；
所述俯仰机构的上端与主反射体转动连接，下端与底座转动连接，用于调整主反射体的俯仰指向；
所述方位机构固定于所述底座的下部，用于带动底座绕相位中心基准机构提供的方位转轴转动，调整主反射体的方位指向；
所述水平机构位于所述底座的下部并支撑底座，用于调整底座上表面至水平；
所述相位中心基准机构固定于底座下方并支撑底座，用于提供整个三面角反射器旋转的方位转轴，方位转轴轴心线上一点作为相位中心测量基准O，该相位中心测量基准O作为三面角反射器本地直角坐标系的原点，用于确定相位中心D的三维大地坐标。
第二方面，一种三面角反射器的使用方法，包括如下步骤：
步骤(1)，安装相位中心基准机构，并对其相位中心测量基准O进行三维大地坐标测量，提供相位中心测量基准O的三维大地坐标；
步骤(2)，安装三面角反射器的底座、方位机构、俯仰机构和主反射体，安装完成后，按照当前定标任务要求的方位指向角度设置值要求，通过方位机构绕相位中心基准机构的方位转轴转动，完成方位指向调整；
步骤(3)，将水平机构插入底座两侧边下方，升高水平机构，使得方位机构脱离地面且底座上表面成水平，完成水平调整；
步骤(4)，根据任务要求的俯仰指向角度，调整俯仰机构的伸缩长度，完成俯仰指向调整；
步骤(5)，根据方位和俯仰指向、相位中心D与相位中心测量基准O的几何关系，确定三面角反射器相位中心D的三维大地坐标。
根据本发明提供的一种三面角反射器及其使用方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种三面角反射器，主反射体包括由三个相互垂直的等腰直角三角形金属铝板组成的反射面，反射发射信号；底座采用三角形结构，作为主反射体的承载机构；俯仰机构采用丝杠套筒结构，利用丝杠在套筒内的伸缩实现角反射器的俯仰指向调整；方位机构的两组万向轮，实现角反射器的方位指向调整；水平机构的千斤顶，保证角反射器底面与地面水平；相位中心测量基准机构提供相位中心位置的参考基准，用于相位中心大地坐标测量，方位指向调整时也以其相位中心基准机构的转轴为圆心，进行方位指向的任意角度调整。该三面角反射器采用简单的无源机械结构，即可实现三维指向的快捷调整，通过底座、俯仰机构、方位机构、水平机构和相位中心基准机构的结构设计及其组合，可满足SAR卫星系统的几何、干涉、辐射、极化等定标的快捷高精度指向要求；
(2)本发明提供的一种三面角反射器，采用万向轮、剪式千斤顶结构实现方位的360°指向调整和大尺寸角反射器的方位调整，操作简单，省时省力；
(3)本发明提供的一种三面角反射器，结构简单轻便，不需要大的占地面积和野外供电装置，并可通过改造方式对其他不具备三维指向调整和相位中心基准的SAR三面角反射器装置进行改造，提升现有其他类似装置的功能和性能；
(4)本发明提供的一种三面角反射器结构及相位中心测量基准O的设计，以相位中心测量基准O为原点，建立本地直角坐标系时，可得到三面角反射器的相位中心D与相位中心测量基准O的相对几何关系，当俯仰、水平方位指向调整时，三面角反射器的相位中心D虽然相对于相位中心测量基准O有相对位置变化，但其相对变化位置由结构确定，并且和三面角反射器的三维指向角度有一一对应关系，可以通过几何关系换算出相位中心D的相对变化，从而结合相位中心测量基准点O的三维大地坐标，得到三面角反射器的相位中心D的精确三维大地坐标，即相位中心D可在任意指向下精确计算。
附图说明
图1为本发明三面角反射器总体结构图；
图2为本发明三面角反射器的水平机构；
图3为本发明三面角反射器的相位中心基准机构；
图4为本发明三面角反射器相位中心与相位中心基准的几何关系示例。
附图标号说明
1-主反射体；2-底座；3-俯仰机构；31-丝杠套筒结构；32-第一俯仰轴组件；33-第二俯仰轴组件；34-第三俯仰轴组件；4-方位机构；5-水平机构；6-相位中心基准机构；61-相位中心转轴；62-基座。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种三面角反射器，如图1所示，包括主反射体1、底座2、俯仰机构3、方位机构4、水平机构5和相位中心基准机构6，其中，
所述主反射体1包括由三个相互正交的等腰直角三角形构成的发射信号反射面，该三个等腰直角三角形的交点为三面角反射器的相位中心D；
所述底座2用于承载主反射体1，并提供与俯仰机构3、方位机构4、水平机构5和相位中心基准机构6连接的机械接口；
所述俯仰机构3的上端与主反射体1转动连接，下端与底座2转动连接，用于调整主反射体1的俯仰指向；
所述方位机构4固定于所述底座2的下部，用于带动底座2绕相位中心基准机构6提供的方位转轴转动，调整主反射体1的方位指向；
所述水平机构5位于所述底座2的下部并支撑底座2，用于调整底座2上表面至水平；
所述相位中心基准机构6固定于底座2下方并支撑底座2，用于提供整个三面角反射器旋转的方位转轴，方位转轴轴心线上一点作为相位中心测量基准O，该相位中心测量基准O作为三面角反射器本地直角坐标系的原点，用于通过相位中心测量基准O与相位中心D之间的几何关系确定相位中心D的三维大地坐标。
如图1所示，主反射体1包括ADB、ADC、BDC三个等腰直角三角形金属铝板组成的反射面，使得在SAR卫星图像上提供标准的相位中心位置已知、雷达截面积和散射矩阵已知的标准点目标图像，即提供SAR卫星图像质量评价，几何、干涉、辐射、极化定标所需的标准参考点目标。反射面上，三个直角边AD＝BD＝CD，面BDC构成主反射体的底面，面ADB、ADC构成主反射体的侧面，边BC为主反射体的底边，边AB和AC为主反射体的侧边，D点为该三面角反射器的相位中心。
如图1所示，底座2为O1EF三角形框架结构，底座2的三个顶点位置处安装有提供机械接口的接口板，底座2边框的两端依次通过接口板连接，顶点O1、E、F分别落在第一接口板、第二接口板和第三接口板上。进一步地，所述底座2的三角形框架结构为等腰或等边三角形框架结构。
当然，所述底座2还可以为O1EF三角板结构，O1、E、F点分别为三角板结构的三个顶点。进一步地，所述底座2的三角板结构为等腰或等边三角板结构。底座2还可以为其他异型结构，但三角形框架结构或三角板结构为优选。
为了避免底座2衍射对主反射体的影响，所述EF边框或EF板边长度小于主反射体1上的底边即BC边长度，满足主反射体1的投影面覆盖底座2。
如图1所示，俯仰机构3包括丝杠套筒结构31和俯仰轴组件，所述俯仰轴组件包括第一俯仰轴组件32、第二俯仰轴组件33和第三俯仰轴组件34，所述丝杠套筒结构31的上端通过第一俯仰轴组件32与主反射体1背面的公共直角边AD转动连接，下端通过第二俯仰轴组件33与底座2转动，所述主反射体1的底面通过第三俯仰轴组件34与底座2转动连接，丝杠套筒结构的伸缩带动第一俯仰轴组件、第二俯仰轴组件与第三俯仰轴组件协同运动，实现对主反射体1的俯仰指向调整。
第一俯仰轴组件32包括第一转接件和第一转轴，所述第一转接件安装于所述主反射体公共直角边AD背面上，用于连接主反射体和第一转轴，所述第一转轴作为俯仰轴，穿设于已对接的第一转接件及丝杠套筒结构的上端。优选地，所述第一转接件为主反射体公共直角边AD背面上安装的至少一组支耳，所述第一转轴穿设于其中一组支耳及丝杠套筒结构的上端，支耳的选择依据SAR卫星的俯仰角确定。第一转接件可以为但不限于支耳，还可以为三角板件或半圆形板件等板件结构，第一转轴可以为但不限于螺杆，还可以为其他杆状结构件。
第二俯仰轴组件33包括第二转接件和第二转轴，所述第二转接件位于顶点O1所在角区域(具体地，底座2为O1EF三角形框架结构时，所述第二转接件位于底座2上顶点O1所在第一接口板上；底座2为O1EF三角板结构时，所述第二转接件位于底座2上顶点O1所在角区域)，用于连接底座2和第二转轴，所述第二转轴作为俯仰轴，穿设于已对接的第二转接件及丝杠套筒结构的下端，其中，第二转接件可以为但不限于支耳、三角板件或半圆形板件，第二转轴可以为但不限于螺杆。优选地，所述第二转轴的轴心线与方位转轴的轴心线共面。
第三俯仰轴组件34包括第三转接件和第三转轴，所述第三转接件固定于主反射体1底面的下板面上，用于连接主反射体1和第三转轴，优选所述第三转接件为套设在第三转轴上的环状结构件，将反射体1的底面紧固在第三转轴上；所述第三转轴为安装于所述底座2上方且与底座EF边平行的圆柱结构，圆柱结构作为主反射体1的俯仰轴，支撑所述主反射体1的俯仰指向调整。该圆柱结构包括但不限于通过支架等方式固定于底座2上方。
如图1所示，方位机构4包括两组万向轮，优选为两组卡扣式万向轮，万向轮安装在底座2的下部，对应顶点E、F所在角区域，并通过螺栓螺母等方式固连。
具体地，底座2为O1EF三角形框架结构时，万向轮安装在顶点E所在第二接口板和顶点F所在第三接口板的下方，并通过螺栓螺母等方式固连。
底座2为O1EF三角板结构时，万向轮安装在顶点E、F所在角区域的下方。
万向轮主要依据单轮负荷(单轮承重)参数选择，可依据：单轮负荷＝装置总重量÷(轮数)×(平安系数)进行计算，例如直角边长1236mm的SAR三面角反射器总重约80kg，平安系数对于平整场地一般选1.2，一般SAR定标场的裸露地表按2.0选择，则单轮负荷应满足：80÷2×2＝80kg，一般直径3寸，即76mm的标准万向轮单轮负荷均可达100kg，即可满足1236mm以上三面角反射器的方位指向要求。
如图1和图2所示，底座2为O1EF三角形框架结构时，水平机构5为两组剪式千斤顶，每组剪式千斤顶顶部卡槽支撑底板2的O1E和O1F边框；底座2为O1EF三角板结构时，水平机构5为至少两个任意形式的千斤顶，千斤顶顶部支撑底座2的下板面，用于在方位指向调整完毕后支撑底座2，卸载方位调整功能。
优选地，为保持三面角反射器结构的稳定性，在千斤顶/剪式千斤顶下方加装了平板结构件，如矩形金属板，增大与地面的接触面积。
如图1和图3所示，相位中心基准机构6包括相位中心转轴61和基座62，所述基座62与地面固连，对底座2及其上机构起支撑作用；所述相位中心转轴61作为方位转轴，上端固定于底座2的顶点O1所在角区域如第一接口板(底座2为O1EF三角形框架结构时)，下端插入基座62中，与基座62配合旋转，其轴心线上一点作为相位中心测量基准O，优选方位转轴的轴心线与地面的正交点作为相位中心测量基准O。方位指向调整时，反射器整体可绕相位中心转轴61进行360°旋转。为保证基座62的可靠性，可采用混凝土预制件部分注入地下增强地表结构稳定性，所述预制件部分为混凝土固定的柱状结构，所述柱状结构的上端插入基座62中，起到平面定位作用。预制件部分还可以为其他结构，在此不再赘述。
图4结合直角边1236mm的三面角反射器，以相位中心测量基准O为原点，建立本地直角坐标系，可得到三面角反射器的相位中心D与相位中心测量基准O的相对几何关系，可见当俯仰、水平方位指向调整时，三面角反射器的相位中心D虽然相对于相位中心测量基准O有相对位置变化，但其相对变化位置由结构确定，并且和三面角反射器的三维指向角度有一一对应关系，可以通过几何关系换算出相位中心D的相对变化，从而结合相位中心测量基准点O的三维大地坐标，得到三面角反射器的相位中心D的精确三维大地坐标(SAR定标一般采用World Geodetic System 1984即WGS84坐标)。
根据本发明的第二方面，提供了一种三面角反射器的使用方法，包括如下步骤：
步骤(1)，安装相位中心基准机构6，并对其相位中心测量基准O进行三维大地坐标测量，提供相位中心测量基准O的三维大地坐标；
步骤(2)，安装三面角反射器除水平机构5外的底座2、方位机构4、俯仰机构3和主反射体1，安装完成后，按照当前定标任务要求的方位指向角度设置值要求，带动方位机构4的万向轮绕相位中心基准机构6的方位转轴(相位中心转轴61)转动，完成方位指向调整；
步骤(3)，将水平机构5(千斤顶/剪式千斤顶)插入底座2两侧边下方，升高水平机构5，使得方位机构4的万向轮脱离地面，从而避免水平指向随万向轮晃动，再微调水平机构5的高度，使底座上表面至水平，完成水平调整；
步骤(4)，根据任务要求的俯仰指向角度，调整俯仰机构3的丝杠套筒结构的伸缩长度，完成俯仰指向调整；
步骤(5)，根据方位和俯仰指向、相位中心D与相位中心测量基准O的几何关系，确定三面角反射器相位中心D的三维大地坐标；或者也可以通过预先制定方位指向角-俯仰指向角-相位中心D对应的三维大地坐标的查找表，通过查找表获得不同指向下相位中心的精确WGS84格式的三维大地坐标。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (11)
1.一种三面角反射器，其特征在于，包括主反射体(1)、底座(2)、俯仰机构(3)、方位机构(4)、水平机构(5)和相位中心基准机构(6)，其中，
所述主反射体(1)包括由三个相互正交的等腰直角三角形构成的发射信号反射面，该三个等腰直角三角形的交点为三面角反射器的相位中心；
所述底座(2)用于承载主反射体(1)，并提供与俯仰机构(3)、方位机构(4)、水平机构(5)和相位中心基准机构(6)连接的机械接口；底座(2)为三角形框架结构，底座(2)的三个顶点位置处安装有提供机械接口的接口板，底座(2)边框的两端依次通过接口板连接，三个顶点记为O1、E、F，所述方位转轴位于顶点O1所在角区域下方；
所述俯仰机构(3)的上端与主反射体(1)转动连接，下端与底座(2)转动连接，用于调整主反射体(1)的俯仰指向；
所述方位机构(4)固定于所述底座(2)的下部，用于带动底座(2)绕相位中心基准机构(6)提供的方位转轴转动，调整主反射体(1)的方位指向；所述方位机构(4)包括两组万向轮，万向轮安装在底座(2)的下部，对应顶点E、F所在角区域；
所述水平机构(5)位于所述底座(2)的下部并支撑底座(2)，用于调整底座(2)上表面至水平；
所述相位中心基准机构(6)固定于底座(2)下方并支撑底座(2)，用于提供整个三面角反射器旋转的方位转轴，方位转轴轴心线上一点作为相位中心测量基准O，该相位中心测量基准O作为三面角反射器本地直角坐标系的原点，用于确定相位中心D的三维大地坐标。
2.根据权利要求1所述的三面角反射器，其特征在于，所述底座(2)为三角板结构，三个顶点记为O1、E、F，所述方位转轴位于顶点O1所在角区域下方。
3.根据权利要求2所述的三面角反射器，其特征在于，所述俯仰机构(3)包括丝杠套筒结构(31)和俯仰轴组件，所述俯仰轴组件包括第一俯仰轴组件(32)、第二俯仰轴组件(33)和第三俯仰轴组件(34)，所述丝杠套筒结构(31)的上端通过第一俯仰轴组件(32)与主反射体(1)背面的公共直角边转动连接，下端通过第二俯仰轴组件(33)与底座(2)转动连接，所述主反射体(1)的底面通过第三俯仰轴组件(34)与底座(2)转动连接，丝杠套筒结构的伸缩带动第一俯仰轴组件、第二俯仰轴组件与第三俯仰轴组件协同运动，实施主反射体(1)的俯仰指向调整。
4.根据权利要求3所述的三面角反射器，其特征在于，所述第一俯仰轴组件(32)包括第一转接件和第一转轴，所述第一转接件安装于所述主反射体公共直角边背面上，所述第一转轴作为俯仰轴，穿设于已对接的第一转接件及丝杠套筒结构的上端。
5.根据权利要求3所述的三面角反射器，其特征在于，所述第二俯仰轴组件(33)包括第二转接件和第二转轴，所述第二转接件安装于顶点O1所在角区域，所述第二转轴作为俯仰轴，穿设于已对接的第二转接件及丝杠套筒结构的下端，所述第二转轴的轴心线与方位转轴的轴心线共面。
6.根据权利要求3所述的三面角反射器，其特征在于，所述第三俯仰轴组件(34)包括第三转接件和第三转轴，所述第三转接件固定于主反射体(1)底面的下板面上，所述第三转轴作为俯仰轴，为安装于所述底座(2)上方且与底座EF边平行的圆柱结构。
7.根据权利要求2所述的三面角反射器，其特征在于，所述底座(2)为三角形框架结构时，水平机构(5)为两组剪式千斤顶，每组剪式千斤顶顶部卡槽支撑底板2的O1E和O1F边框；
底座(2)为三角板结构时，水平机构(5)为至少两个千斤顶，千斤顶顶部支撑底座(2)的下板面，用于在方位指向调整完毕后，支撑底座(2)，卸载方位调整功能。
8.根据权利要求7所述的三面角反射器，其特征在于，所述千斤顶或所述剪式千斤顶下方加装有平板结构件。
9.根据权利要求2所述的三面角反射器，其特征在于，所述相位中心基准机构(6)包括相位中心转轴(61)和基座(62)，所述基座(62)与地面固连，对底座(2)及其上机构起支撑作用；所述相位中心转轴(61)作为方位转轴，上端固定于底座(2)的顶点O1所在角区域，下端插入基座(62)中，与基座(62)配合旋转。
10.一种权利要求1所述的三面角反射器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，安装相位中心基准机构(6)，并对其相位中心测量基准O进行三维大地坐标测量，提供相位中心测量基准O的三维大地坐标；
步骤(2)，安装三面角反射器的底座(2)、方位机构(4)、俯仰机构(3)和主反射体(1)，安装完成后，按照当前定标任务要求的方位指向角度设置值要求，通过方位机构(4)绕相位中心基准机构(6)的方位转轴转动，完成方位指向调整；
步骤(3)，将水平机构(5)插入底座(2)两侧边下方，升高水平机构(5)，使得方位机构(4)脱离地面且底座(2)上表面成水平，完成水平调整；
步骤(4)，根据任务要求的俯仰指向角度，调整俯仰机构(3)的伸缩长度，完成俯仰指向调整；
步骤(5)，根据方位和俯仰指向、相位中心D与相位中心测量基准O的几何关系，确定三面角反射器相位中心D的三维大地坐标。
11.根据权利要求10所述的三面角反射器的使用方法，其特征在于，步骤(5)中，通过预先制定方位指向角-俯仰指向角-相位中心D对应的三维大地坐标的查找表，通过查找表获得不同指向下相位中心的三维大地坐标。
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