CN201654225U - 适用于升、降轨和多角度观测的角反射器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于升、降轨和多角度观测的反射器，包括反射屏和反射屏支撑结构，反射屏支撑结构上设置有竖直方向的转轴，两个反射锥背对设置在转轴上，并能够绕转轴旋转，两个反射锥和反射屏支撑结构上分别设置有方位角调节机构，通过方位角调节机构，令反射锥绕所述反射屏支撑结构的转轴旋转，来调整两个反射锥的方位角。本实用新型的角反射器在设定好姿态后能同时满足升/降轨InSAR观测需要，在多角度InSAR测量的情况下不必调整角反射器仰角即可保证其较强而易于识别的雷达截面，该角反射器方便在交通不便地区开展角反射器辅助InSAR测量工作。本实用新型提供的角反射器还易于制作、安装、拆卸和调整，能适应野外可能出现的雨、雪等气候条件。

Description

适用于升、降轨和多角度观测的角反射器

技术领域

本实用新型涉及合成孔径雷达干涉测量(Interferometric SAR，InSAR)技术领域，属于遥感对地观测领域中合成孔径雷达(SyntheticApature Radar，SAR)技术的分支。具体涉及一种在地面布设的、可移动的、可调整高度的、可调整方位角的、适用于升/降轨和多种入射角观测的角反射器。

背景技术

SAR是一种侧视主动成像系统，能够发射相干微波信号，记录目标反射信号的强度和相位。由于相位与目标、传感器之间的距离有关，InSAR技术通过两副天线同时观测(单轨双天线)，或者两次近似平行重合轨道的观测(重轨单天线)，获取同一区域雷达目标的后向散射回波信号，提取其相位信息，再结合卫星轨道参数等相关信息来提取地表高程信息。进而，合成孔径雷达差分干涉测量(Differential InSAR，DInSAR)技术则能以亚厘米级的精度获取地表形变信息，其得到的形变结果弥补了传统测量点位稀疏的缺点，具有大面积、快速、准确的优势，应用潜力巨大。由于能够产生数字地面高程模型，测量冰川流速，监测地震、火山活动、地面沉降、滑坡和采矿塌陷等引起的微形变，并具有全天候、全天时的特点，InSAR技术成为对地观测领域的前沿方向之一。

常用的InSAR卫星系统绕地球运转的轨道为近极地轨道，即飞行方向接近南-北向。当卫星系统近于从南向北飞时，称为升轨；反之，称为降轨。常用的InSAR卫星系统向着与飞行方向垂直的右下侧观测，升轨时InSAR观测方向在地面的投影近于从西向东；降轨时观测方向的投影近于从东向西。近年来，支持InSAR技术应用的卫星系统逐渐增多，卫星上所搭载SAR传感器的工作模式从最早的单一观测角度变为支持多种观测角度，为多角度InSAR测量提供了条件。

升/降轨、多角度InSAR测量能够提供地面目标在三维空间不同矢量方向上的微形变信息，为滑坡、采矿塌陷等地质灾害的三维形变监测提供了可能，是InSAR技术领域的新进展，也是地质灾害监测的新手段。

作为主动微波遥感系统，SAR能以图像的形式记录地物后向散射电磁波的幅度和相位。像元幅度值的平方称为功率(Power)或强度(Intensity)，雷达截面(RCS)是度量目标在雷达波照射下所产生回波的强度的一种物理量。

SAR图像所记录的地物反射信号主要取决于地物的介电特性和几何特性，这里的几何特性包括地面目标的表面粗糙度和其结构的几何形状。角反射器是一种能使雷达波束最大程度逆向反射回SAR传感器的人工装置。即使在数年乃至更长时间内，只要角反射器的安全得以保障，其仍能保持大而稳定的雷达截面和离散程度变化很小的相位，因此角反射器被视为InSAR技术中的优质相干目标，为高精度数字高程模型及地表形变测量创造了条件。此外，在卫星重复观测过程中，对多个角反射器的相对高度进行人工调整，还有助于分析InSAR测量中的噪声影响，进一步提高InSAR观测的精度。

目前主要应用的角反射器是以三块等腰直角三角形铝板构成的三角锥为主体的，可称之为三角锥形角反射器。这种角反射器对入射雷达波的指向性要求较为严格。因此，为辅助实施针对某一星载SAR传感器的高精度InSAR测量，不但需要调节三角锥形角反射器的方位角，还要调节它的仰角。

常用的三角锥形角反射器不能满足实际应用中的以下两种主要需求。第一，三角锥形角反射器对方位角的指向性要求使其不能很好得适应升/降轨观测的需要。例如，当调整三角锥形角反射器的方位角使其适应升轨观测时，角反射器一般近于开口向西；反之，降轨观测一般要求角反射器近于开口向东。可见，常用的三角锥形角反射器在设定姿态后只能用于升轨或降轨之中的单一观测模式，不能同时满足对地面同一位置进行InSAR升、降轨观测的需要。第二，三角锥形角反射器对仰角较为严格的指向性要求使其不能适应多角度观测的需要。例如，欧洲空间局的ENVISAT ASAR在成像条带模式下的就有7种观测角度(入射角约19°-43°)可选；加拿大Radarsat-2卫星上的SAR传感器在标准模式下的有7种观测角度(入射角约20°-49°)可选、在精细模式下的则有10种观测角度(入射角约30°-50°)可选。尤其当同一SAR传感器以相差较大的观测角度重访时，欲使三角锥形角反射器的雷达截面显著强于其背景而被识别，就要再次人工调整三角锥形角反射器的仰角。一方面，人工调整增加了工作成本、降低了工作效率；另一方面，在某些交通不便地区，多次人工调整的需求可能使角反射器辅助的InSAR测量失去可操作性。

实用新型内容

为了克服现有的三角锥形角反射器不能很好满足升/降轨观测需要、在SAR传感器观测角度发生较大变化时必须人工调整其仰角的不足，本实用新型提供一种适用于升、降轨和多角度观测的角反射器。

为实现上述目的，本实用新型的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，包括反射屏和反射屏支撑结构，反射屏支撑结构上设置有竖直方向的转轴，两个反射锥背对设置在转轴上，并能够绕转轴旋转，两个反射锥和反射屏支撑结构上分别设置有方位角调节机构，通过方位角调节机构，令反射锥绕所述反射屏支撑结构的转轴旋转，来调整两个反射锥的方位角。

进一步，所述反射屏的两个反射锥为长方形反射锥和或三角形反射锥。

进一步，所述反射屏的反射锥为长方形反射锥，包括三块相互垂直设置的反射板，三块反射板的形状为矩形，并且两两固定相接，一块为底板，另两块为侧立板，两侧立板上与底板相接边的长度与底板边的长度相等。

进一步，所述底板和两侧立板均为规格相同的正方形板。

进一步，所述反射屏支撑结构包括支撑顶板和支撑底座，支撑顶板上设置有所述反射屏支撑结构的转轴，支撑顶板和支撑底座之间通过可调支柱机构连接，其中可调支柱机构包括四根支撑杆和支柱套筒，支撑杆一端固定在所述支撑顶板顶面上，另一端套装在支撑底座上设置的支柱套管上，调节支撑杆伸入支柱套管内的深度来调节所述支撑顶板距离水平面的高度和或姿态。

进一步，所述方位角调节机构包括方位角调节螺丝和方位角调节槽，方位角调节螺丝设置在所述反射锥的底板上或所述支撑顶板上，所述方位角调节槽为所述支撑顶板上或所述反射锥的底板上以所述转轴为圆心设置的弧形槽，方位角调节螺丝和方位角调节槽大小相配，通过移动方位角调节螺丝在方位角调节槽中的位置进行方位角调节。

进一步，所述支撑顶板上设置有三个凸台，所述转轴设置在一个凸台上，所述方位角调节槽分别设置在另两个凸台上。

进一步，所述方位角调节槽为以所述转轴为圆心，弧度半径0.828m、夹角20°、偏转中心线11°的调节槽。

进一步，所述底板和两侧立板之间，两侧立板之间以及所述底板和支撑顶板之间采用角钢连接固定。

进一步，所述底板和侧立板上有多个间隔设置的通孔。

本实用新型的角反射器在设定好姿态后能同时满足升/降轨InSAR观测需要，在多角度InSAR测量的情况下不必调整角反射器仰角即可保证其较强而易于识别的雷达截面，能节省工作成本、提高工作效率，方便在交通不便地区开展角反射器辅助InSAR测量工作。同时，为了使技术领域内的一般人员方便地应用角反射器提高InSAR测量精度，本实用新型提供的角反射器易于制作、安装、拆卸和调整，并能适应野外可能出现的雨、雪等气候条件。

附图说明

图1a为现有的三角形反射锥的示意图；图中OA＝OB＝OC为角反射器的边长，EO表示入射雷达波，角COE为入射波天顶偏角，角AOD为方位角；

图1b为正方形反射锥的示意图；

图2a为直角边长1m的三角形反射锥的雷达截面模拟值；

图2b为边长1m的正方形反射锥的雷达截面模拟值；

图3为InSAR系统升/降轨观测方向地面投影示意图；

图4a为本实用新型的角反射器的主视图；

图4b为本实用新型的角反射器的俯视图；

图5a为本实用新型的角反射器的支撑顶板主视图；

图5b为本实用新型的角反射器的支撑顶板俯视图；

图6a为本实用新型的角反射器的支撑底座主视图；

图6b为本实用新型的角反射器的支撑底座俯视图；

图7为本实用新型的角反射器支柱调节机构的结构示意图；

图8a为本实用新型的角反射器侧立板的俯视图；

图8b为本实用新型的角反射器侧立板的主视图；

图9a为本实用新型的角反射器底板的俯视图；

图9b为本实用新型的角反射器底板的主视图。

具体实施方式

图1a和图1b是三角锥形角反射器和正方锥形角反射器的示意图，它们理论上的最大雷达截面可用公式(1)和公式(2)分别计算：

${\mathrm{RCS}}_{\max }^{\mathrm{PCR}}=\frac{{4\mathrm{\πL}}^4}{{3\mathrm{\λ}}^2}$ 公式(1)

${\mathrm{RCS}}_{\max }^{\mathrm{CCR}}=\frac{{12\mathrm{\πL}}^4}{{\mathrm{\λ}}^2}$ 公式(2)

式中L为角反射器的直角边长，λ为雷达波长。

根据公式，边长相等的两种角反射器相比，正方锥形角反射器拥有9倍于三角锥形角反射器的雷达截面。正方锥形角反射器在反射强度上的优势，源于其散射面积比三角锥形角反射器的更大、更有效。由图2a和图2b可见，在入射波波长相同、入射波方位角都在最佳值45°时，正方锥形角反射器即便在入射波天顶偏角偏离最佳角度达20°--即约为35°的情况下，其雷达截面也大于入射波天顶偏角最佳时三角锥形角反射器的值。可见，正方锥形角反射器在大范围的入射波天顶偏角变化幅度内，可提供强回波信号，适用于多角度InSAR观测。

为了获得角反射器的最大反射信号，通常需要：1)将角反射器的入射波方位角调整至最佳值，也就是将图1中的OD对准InSAR观测的地面投影方向(图3)；2)将角反射器入射波天顶偏角应调整为星载SAR传感器的入射角。然而，若期望角反射器在布设之后能同时适用于升/降轨、多角度InSAR观测并且不需要人工干预，就需要设计新型的角反射器。

为了使角反射器在设定好姿态后能同时满足升/降轨InSAR观测需要而且在入射波天顶偏角大范围变化的情况下仍能具有较大的雷达截面，同时易于重复利用和适应野外气候条件，本实用新型采取了以下措施：

本实用新型的角反射器主要材料为普通铝板、角钢以及少量的普通钢板和圆钢，材料来源广泛，价格低廉；角反射器组成部件结构简单、组成数目少，易于加工制作；主要部件的连接通过连接件用通用螺丝紧固，易于安装和拆卸，便于运输和保管。本实用新型的角反射器包括主体反射屏和反射屏支撑结构，主体反射屏是由两个对称的长方反射锥组成，可反射来自升、降轨两个方向的反射信号，在SAR观测角度变化的情况下也具有理想的反射特性。长方反射锥以反射屏中心转轴为圆心可做水平面内正负10°的调整，根据需要还可通过可调支柱机构做上下15cm的高度调整。

下面结合附图对本角反射器各部分和具体实施方式加以说明。

四块立面反射板(图8a和图8b所示)与两块水平反射板(图9a和图9b所示)组成了两长方反射锥背对设置形成的角反射器的主体反射屏。立面反射板以角钢做边框112、铝板111蒙面焊接铆制成长1.5m、宽1.0m的矩形反射板，为使其稳固边框中间加设了两道横撑。为了减少自然条件下风压及雨、雪对设施的影响，对面板进行了钻孔(图中未示出)处理。在综合衡量孔径大小、打孔密度对雷达截面的影响之后，本实用新型的角反射器采用：孔径10mm；横向孔间距100mm；竖向每行间距为86.7mm，两行之间的孔排列呈正三角形。在边框上打螺丝安装孔，方便使用螺丝固定连接角钢和铰链。

水平反射板(图9a和图9b所示)以角钢做边框132、以铝板133蒙面焊接铆制成边长1.0m的正方形反射板，为使其稳固边框中间加设了一道斜横撑，在斜撑上焊有两颗方位角调节螺丝131，用来在调节反射屏的方位角之后进行固定。在边框上打螺丝安装孔，方便使用螺丝固定连接角钢。为了减少自然条件下雨、雪对设施的影响，对面板进行了钻孔处理，钻孔方案与立面反射板相同。

如图4a和图4b所示，两块立面反射板11、12和一块水平反射板13相互垂直固定设置，形成一长方反射锥，另外两块立面反射板和一块水平反射板形成另一长方反射锥，两长方反射锥之间铰链连接，两长方反射锥的下部铰链孔穿在转轴311上，可使两长方反射锥绕转轴311旋转。立面反射板11与12之间设置有加强筋121，立面反射板11、12与水平反射板13之间还设置有加强筋123。本实施例中只列举了反射屏由两长方反射锥组成的形式，反射屏也可选择的采用两三角反射锥背对设置或一长方反射锥及一三角反射锥背对设置。

如图5a和5b所示，支撑顶板3是直接承载角反射器主体反射屏的主要部件。本件由角钢作边框焊接成长1.8m、宽1.0m的角钢架，中间加横撑加固；架体上面两端各焊有铣槽面板32、33，上面铣有以中心转轴311为圆心、弧度半径0.828m、夹角20°、偏转中心线11°的调节槽331，用以调节、固定两个反射锥的方位角。架体中间焊有中心面板31，在上方中心位置焊有中心转轴311，反射屏的下连接铰链孔就穿在转轴311上，可使两个长方反射锥以转轴为圆心、通过移动其水平反射板13上方位角调节螺丝131在铣槽面板上的方位角调节槽331位置进行方位角调节，当达到理想角度后拧紧方位角调节螺丝131的螺帽加以固定。如图6a和6b在框架下面的四个角各焊有一个可调螺旋柱34，伸入支撑底座4的套管41里，与其他部件组成可调支柱机构。方位角调节螺丝131和方位角调节槽331大小相配，可以选择的将方位角调节螺丝131设置在支撑顶板3上，将方位角调节槽331设置在反射锥水平反射板13的底面上。另外方位角调节槽331也可以为以中心转轴311为圆心，以一长度为半径的整个弧形槽。

可调支柱机构是支撑顶板3与支撑底座4之间的活动连接机构，起到支撑角反射器和调整其高度的目的。本件按图7所示的顺序，在可调螺旋柱34下部的螺纹上拧上调节螺母341，而后伸入支柱套管41，在支柱套管41的上端焊接有外丝套筒411，外丝套筒411外侧加工有锁紧丝扣，外面套固定锁母412。通过将调节螺母341在可调螺旋柱34上旋上、旋下，可改变可调螺旋柱34伸入支柱套筒41的长度，同时也就改变反射屏相对于地面的高度。当达到理想高度后拧紧固定锁母412即实施固定。当再需要改变高度时，松开固定锁母412，调整调节螺母341的位置，当再次达到理想高度后旋紧固定锁母412实施固定。

如图6a和6b所示，支撑底座4是支撑角反射器的底盘，本件由角钢作边框焊接成长1.8m、宽1.0m的主体角钢架，中间加横撑加固；为便于设施的安放在四个角的底面焊有钢片作为垫脚42；在四个角的上面各焊有支柱套管41，将支撑顶板3的可调螺旋柱34插入其内与其他部件组成可调支柱机构，从而组成了完整的角反射器底部支架。

本实用新型的角反射器可根据测量的需要，安放在宽1m、长2m的平坦地带。先在水平反射板相邻的两个边上各树立起一个立面反射板，通过反射板连接角钢连接固定，组成长方反射锥，在未连接的其他边上安装反射板固定角钢进行加固。将两个长方反射锥通过上下两个反射屏铰链连接组成角反射器的主体--反射屏。支撑顶板与支撑底座通过可调支柱机构的连接组成角反射器的支撑系统。下部反射屏铰链的连接孔对准焊在支撑顶板上的反射屏中心转轴，焊在水平反射板上的方位角调节螺丝对准支撑顶板的铣槽，将主体反射屏架设在底座上，组成完整的角反射器。调整好角反射器的方位角、高度、水平之后，无论目标星载SAR系统处在升轨还是降轨模式，无论其观测角度是否发生变化，角反射器皆可提供高雷达截面，成为优质相干目标。

本实用新型的有益效果是，布设之后能同时满足升轨和降轨观测需要、不必人工调整角反射器仰角即可适用于多角度InSAR测量，达到了节省成本、提高效率的目的，增强了角反射器辅助InSAR测量的实用性。

需要指出的是根据本实用新型的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本实用新型的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (10)

1.一种适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，包括反射屏和反射屏支撑结构，反射屏支撑结构上设置有竖直方向的转轴，两个反射锥背对设置在转轴上，并能够绕转轴旋转，两个反射锥和反射屏支撑结构上分别设置有方位角调节机构，通过方位角调节机构，令反射锥绕所述反射屏支撑结构的转轴旋转，来调整两个反射锥的方位角。

2.如权利要求1所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述反射屏的两个反射锥为长方形反射锥和或三角形反射锥。

3.如权利要求2所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述反射屏的反射锥为长方形反射锥，包括三块相互垂直设置的反射板，三块反射板的形状为矩形，并且两两固定相接，一块为底板，另两块为侧立板，两侧立板上与底板相接边的长度与底板边的长度相等。

4.如权利要求3所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述底板和两侧立板均为规格相同的正方形板。

5.如权利要求3所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述底板和侧立板上有多个间隔设置的通孔。

6.如权利要求3所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述反射屏支撑结构包括支撑顶板和支撑底座，支撑顶板上设置有所述反射屏支撑结构的转轴，支撑顶板和支撑底座之间通过可调支柱机构连接，其中可调支柱机构包括四根支撑杆和支柱套筒，支撑杆一端固定在所述支撑顶板顶面上，另一端套装在支撑底座上设置的支柱套管上，调节支撑杆伸入支柱套管内的深度来调节所述支撑顶板距离水平面的高度和或姿态。

7.如权利要求6所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述底板和两侧立板之间，两侧立板之间以及所述底板和支撑顶板之间采用角钢连接固定。

8.如权利要求6所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述方位角调节机构包括方位角调节螺丝和方位角调节槽，方位角调节螺丝设置在所述反射锥的底板上或所述支撑顶板上，所述方位角调节槽为所述支撑顶板上或所述反射锥的底板上以所述转轴为圆心设置的弧形槽，方位角调节螺丝和方位角调节槽大小相配，通过移动方位角调节螺丝在方位角调节槽中的位置进行方位角调节。

9.如权利要求8所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述支撑顶板上设置有三个凸台，所述转轴设置在一个凸台上，所述方位角调节槽分别设置在另两个凸台上。

10.如权利要求9所述的适用于升、降轨和多角度观测的反射器，其特征在于，所述方位角调节槽为以所述转轴为圆心，弧度半径0.828m、夹角20°、偏转中心线11°的调节槽。

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