CN116559856A - 一种基于超表面的光学微波一体化探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像设备技术领域，具体为一种基于超表面的光学微波一体化探测系统，包括微波阵列天线、光学超透镜组件、微波收发系统和图像接收处理系统；微波阵列天线包括反射阵面和馈源，反射阵面由周期排列的超表面反射单元构成，馈源安装在反射阵面的正上方；光学超透镜组件包括多个超透镜，多个超透镜分别安装在多个通孔内；微波收发系统和图像接收处理系统安装在反射阵面下方，且分别与馈源、光学超透镜组件连接。本发明通过“平板化”阵列的设计，有效减小了系统体积，提升了一体化程度，微波阵列天线设计为反射式阵列，馈源和图像接收处理系统位于反射阵面两侧，不使用分光分频元件，也能有效降低了微波与光学系统之间的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及成像设备技术领域，特别涉及一种基于超表面的光学微波一体化探测系统。
背景技术
当前，在对地观测领域中，光学探测和微波探测均发挥着不可替代的作用，相关技术均已较为成熟。其中，可见光成像具备目视效果好、不易被电子干扰、符合人类解译习惯、易受云、雨、雾等气候条件干扰的特点；微波成像具备全天时、全天候、目视解译难度较大的特点。综合光学成像和微波成像的优缺点，设计光学与微波一体化探测系统，是光学探测和微波探测的发展趋势之一。
发明内容
本发明提供了一种基于超表面的光学微波一体化探测系统，以解决现有成像设备很难很好的结合光学探测和微波探测的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种基于超表面的光学微波一体化探测系统，包括微波阵列天线、光学超透镜组件、微波收发系统和图像接收处理系统；
微波阵列天线包括反射阵面和馈源，反射阵面由周期排列的超表面反射单元构成，馈源安装在反射阵面的正上方；
光学超透镜组件包括多个超透镜阵列，多个超透镜阵列均安装在反射阵面上，每个超透镜阵列均包含多个超透镜，超透镜由按照特定规律排列的亚波长结构单元构成。超透镜阵列通过面板固定，面板上开设有多个通孔，多个超透镜分别安装在多个通孔内；
微波收发系统和图像接收处理系统分别安装在反射阵面下方，且分别与馈源、光学超透镜组件连接。
进一步地，所述微波阵列天线还包括支撑机构，馈源通过支撑机构安装在反射阵面的正上方，支撑机构的材质为PPS或者PEEK。
进一步地，所述超透镜阵列的数量设置为四个，反射阵面设置为矩形，四个超表面阵列安装在反射阵面四个角的位置处。
进一步地，所述反射阵面的中心设置为原点，反射阵面原点以外的超表面反射单元相对原点设置有相位补偿，相位补偿的计算公式如下：
其中，表示第i行第j列的超表面反射单元所对应的补偿相位；/>为电磁波在真空中的波长；/>为生成波束的俯仰角，/>为生成波束的方位角；
表示第i行第j列的反射单元的中心坐标；/>为馈源相位中心的坐标。
进一步地，所述超表面反射单元由两层双方环构成，具体包括依次错开的接地板、第一层双方环、第二层双方环、两块介质板和两个空气层；
两块介质板和两个空气层均分别接地板、第一层双方环之间以及第一层双方环和第二层双方环之间。
进一步地，所述第一层双方环、第二层双方环的材质均为铜导体，两块介质板均采用Rogers 5880。
进一步地，所述馈源采用喇叭天线或Vivaldi天线。
进一步地，所述超透镜选用偏振不敏感超透镜、线偏振超透镜或者圆偏振超透镜；
所述超透镜包括衬底和薄膜，薄膜覆盖在衬底上，薄膜材料为非晶硅，衬底材料为熔融石英。
进一步地，超透镜阵列的排布形式为双孔型或者Golay3或者环型或者三臂结构，包括但不限于以上结构。
进一步地，所述超透镜的直径为1~10mm，超透镜的间距为1~50mm。
本发明的有益效果：
1、本发明将光学探测和微波探测进行结合，解决了传统光学成像系统无法应对恶劣气象气候的问题，使本发明具备应对雨天、雾天、多云、烟尘等复杂环境下的探测能力；
2、将光学探测和微波探测进行结合，提升了本发明同时获取目标多维信息的能力；光学探测对目标细节的描述能力更强，微波探测对金属结构特性更敏感，将光学与微波有机结合到一起，能够同时获得同一目标的不同特性，从而提升获取目标信息的能力，同时当前的隐身材料尚不具备光学和微波双隐身能力，因此提高了本发明发现目标的能力；
3、本发明利用超表面具有调控电磁波特性的强大能力，设计了光学超透镜组件和微波阵列天线，相比传统的光学透镜，光学超透镜组件能够有效减小光学系统沿轴方向的体积，同时将光学超透镜组件嵌入微波反射阵面中，实现了光学微波“平板”阵列一体化；也减小系统的体积和重量，光学超透镜组件和微波阵列天线均是基于超表面设计而成的，具有扁平化和一体化程度高的优点，能够减小本发明的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的正面示意图；
图2为第一实施例中圆柱形纳米柱和长方形纳米柱的结构示意图；
图3为超透镜阵列的排布示意图；
图4为超表面反射单元的结构示意图；
图5为第一实施例中超表面反射单元的反射损耗和相移的示意图；
图6为第一实施例中的馈源的增益为16.3dB的方向图；
图7为第一实施例中的微波阵列天线的方向图；
图8为电磁兼容分析过程中初始的微波阵列天线的方向图；
图9为电磁兼容分析过程中考虑光学的微波阵列天线的方向图。
附图标记说明：
1、微波阵列天线；11、反射阵面；12、馈源；13、支撑机构；
2、光学超透镜组件；21、超透镜阵列；
3、微波收发系统；
4、图像接收处理系统。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向，以图1为例，垂直纸面向上为上，垂直纸面向下为下，垂直纸面向左为左，垂直纸面向右为右，垂直纸面向内为前，垂直纸面向外为后，左右方向为横向，上下方向为竖向。需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
参照图1，本实施例提供一种基于超表面的光学微波一体化探测系统，包括微波阵列天线1、光学超透镜组件2、微波收发系统3和图像接收处理系统4；
微波阵列天线1包括反射阵面11和馈源12，反射阵面11由周期排列的超表面反射单元构成，超表面反射单元大小固定为p×p，然后排列成N×N的阵列结构，即反射阵面11，p为超表面反射单元的周期，即按照周期p进行排列。馈源12安装在反射阵面11的正上方；
光学超透镜组件2包括多个超透镜阵列21，多个超透镜阵列21均安装在反射阵面11上，每个超透镜阵列21均包含多个超透镜，超透镜由按照特定规律排列的亚波长结构单元构成。超透镜阵列通过面板固定，面板上开设有多个通孔，多个超透镜分别安装在多个通孔内；超透镜是基于规律排列的亚波长结构单元进行相位调控，从而实现传统的聚焦透镜功能的平面光学元件，利用能够实现0-360°相位调控的亚波长结构拟合连续波前相位；设计的超透镜工作波长为800nm。
超透镜的加工过程主要包括制备基片材料和图形刻蚀两个步骤。基片材料制备指在衬底上制备亚波长结构薄膜材料，其利用等离子体增强化学气相沉积技术制备。图形刻蚀采用电子束曝光、反应离子刻蚀工艺。
超表面由特征尺寸小于工作波长的周期单元构成，能够根据需要调控电磁波的振幅、相位和偏振（极化）等特性。近年来，超表面在光学和太赫兹超透镜以及微波和太赫兹天线等方面发挥了显著优势。
微波收发系统3和图像接收处理系统4安装在反射阵面11下方，且分别与微波阵列天线馈源12、光学超透镜组件2连接。
在本实施例中，所述微波阵列天线还包括支撑机构13，馈源12通过支撑机构13安装在反射阵面11的正上方，支撑机构13的材质为PPS或者PEEK。
在本实施例中，所述反射阵面11的中心设置为原点，反射阵面11原点以外的超表面反射单元相对原点设置有相位补偿，相位补偿的计算公式如下：
其中，表示第i行第j列的超表面反射单元所对应的补偿相位；/>为电磁波在真空中的波长；/>为生成波束的俯仰角，/>为生成波束的方位角；
表示第i行第j列的反射单元的中心坐标；/>为馈源相位中心的坐标。
反射阵面11的周期单元的相位补偿范围，即移相范围，指通过改变单元结构的某个参数（除周期外）所获得的最大相位变化范围。常用的改变相位的方法有：改变金属贴片尺寸、加载传输线和单元旋转。超表面反射单元可根据应用需要，采用上述方式改变相位。
第一实施例：
在本实施例中，反射阵面11的口径大小为400mm×400mm，单元周期为20mm，中心频率为7.5GHz，焦距为400mm，偏馈角为30°；则根据相位补偿的公式可以计算出超表面反射单元的相位补偿分布。
在本实施例中，所述超透镜阵列21的数量设置为四个，反射阵面11设置为矩形，超透镜阵列21在反射阵面11四个角的位置处，超透镜分别安装在通孔内；超透镜阵列21的分布位置能减小光学超透镜组件2对微波阵列天线1性能的影响，另一方面，微波阵列天线1采用反射式而非透射式，将图像接收处理系统4与馈源12分隔在反射阵面11的两侧，能够防止图像接收处理系统4与微波阵列天线1之间的影响。
参照图4，在本实施例中，所述超表面反射单元由两层双方环构成，具体包括依次错开的接地板、第一层双方环、第二层双方环、两块介质板和两个空气层；
两块介质板和两个空气层均分别在接地板、第一层双方环之间以及第一层双方环和第二层双方环之间。
在本实施例中，所述第一层双方环、第二层双方环的材质均为铜导体，两块介质板均采用Rogers 5880。
在本实施例中，超表面反射单元的周期等于中心波长的一半，从而避免了栅瓣的产生，防止影响反射阵天线的性能。同时超表面反射单元工作频率为7.5GHz。通过改变超表面反射单元的方环尺寸（第一层双方环、第二层双方环的尺寸）调节超表面反射单元的反射相位。超表面反射单元的反射损耗和相移如图5所示。
从图5可以看出，超表面反射单元的反射损耗小于0.1dB，相移大于360°并且相移与方环尺寸之间具有较好的单调性。根据相位补偿公式和相移与方环尺寸关系，可以得到任意位置单元的方环尺寸。为了降低加工的复杂度，在不降低相移准确性和天线性能的条件下，将360°划分成15阶，对相移单元进行设置。具体相移和方环尺寸的对应关系如表1所示：
表1：相移和方环尺寸的对应关系
在本实施例中，所述馈源12采用喇叭天线或Vivaldi天线。
本发明采用的喇叭天线的增益为16.3dB时，在喇叭天线的远场方向图中，E面和H面半功率波束宽度分别为26°和28°，喇叭天线的方向具体如图6所示；
本发明微波阵列天线的增益为27.55dB，E面和H面的副瓣分别为-19dB和-16dB，E面和H面的半功率波束宽度分别为5.9°和6.2°，微波阵列天线的方向图具体如图7所示；
在本实施例中，所述超透镜选用偏振不敏感超透镜、线偏振超透镜或者圆偏振超透镜；参照图2，根据传输相位原理，圆柱形纳米柱可用于实现偏振不敏感超透镜；结合传输相位原理和几何相位原理，长方形纳米柱可用于实现线偏振超透镜和圆偏振超透镜。同一光学超透镜组件阵列内采用相同偏振类型的超透镜。
所述超透镜包括衬底和薄膜，薄膜覆盖在衬底上，薄膜材料为非晶硅，衬底材料为熔融石英。
参照图3，超透镜阵列21的排布形式为双孔型或者Golay3或者环型或者三臂结构，包括但不限于以上结构。
在本实施例中，所述超透镜的直径为1~10mm，超透镜的间距为1~50mm；优选的超透镜直径为2mm，焦距为20mm；
电磁兼容分析：
光学与微波一体化设计过程中，需要考虑电磁兼容问题。设计的光学超透镜组件2嵌入到反射阵面11中，因此，需要对相关的影响进行分析。将反射阵面11四个角区域的相邻四个周期单元去掉，替换成超透镜的基底材料玻璃，再进行仿真分析，得到替换前后的E面和H面方向图8和图9如下，其中E面和H面是微波阵列天线1远场方向图中定义的两个面；
从图8和图9中可以看出，初始和考虑光学的微波阵列天线1的方向图变化很小，天线增益和E面、H面的半功率波束宽度几乎不变。因此，设计的光学微波一体化探测系统满足兼容性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于超表面的光学微波一体化探测系统，其特征在于：包括微波阵列天线（1）、光学超透镜组件（2）、微波收发系统（3）和图像接收处理系统（4）；
微波阵列天线（1）包括反射阵面（11）和馈源（12），反射阵面（11）由周期排列的超表面反射单元构成，馈源（12）安装在反射阵面（11）的正上方；
光学超透镜组件（2）包括多个超透镜阵列（21），多个超透镜阵列（21）均安装在反射阵面（11）上，每个超透镜阵列（21）均包含多个超透镜，超透镜由按照特定规律排列的亚波长结构单元构成，超透镜阵列通过面板固定，面板上开设有多个通孔，多个超透镜分别安装在多个通孔内；
微波收发系统（3）和图像接收处理系统（4）安装在反射阵面（11）的下方，且分别与馈源（12）、光学超透镜组件（2）连接。
2.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述微波阵列天线还包括支撑机构（13），馈源（12）通过支撑机构（13）安装在反射阵面（11）的正上方，支撑机构（13）的材质为PPS或者PEEK。
3.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述超透镜阵列（21）的数量设置为四个，反射阵面（11）设置为矩形，四个超透镜阵列（21）安装在反射阵面（11）四个角的位置处。
4.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述反射阵面（11）的中心设置为原点，反射阵面（11）原点以外的超表面反射单元相对原点设置有相位补偿，相位补偿的计算公式如下：
；
其中，表示第i行第j列的超表面反射单元所对应的补偿相位；/>为电磁波在真空中的波长；/>为生成波束的俯仰角，/>为生成波束的方位角；
表示第i行第j列的反射单元的中心坐标；/>为馈源相位中心的坐标。
5.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述超表面反射单元由两层双方环构成，具体包括依次错开的接地板、第一层双方环、第二层双方环、两块介质板和两个空气层；
两块介质板和两个空气层均分别接地板、第一层双方环之间以及第一层双方环和第二层双方环之间。
6.根据权利要求5所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述第一层双方环、第二层双方环的材质均为铜导体，两块介质板均采用Rogers 5880。
7.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述馈源（12）采用喇叭天线或Vivaldi天线。
8.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述超透镜选用偏振不敏感超透镜、线偏振超透镜或者圆偏振超透镜；
所述超透镜包括衬底和薄膜，薄膜覆盖在衬底上，薄膜材料为非晶硅，衬底材料为熔融石英。
9.根据权利要求1所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，超透镜阵列（21）的排布形式为双孔型或者Golay3或者环型或者三臂结构。
10.根据权利要求1至9任一项所述的光学微波一体化探测系统，其特征在于，所述超透镜的直径为1~10mm，超透镜的间距为1~50mm。
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