專利名稱：一種雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及干涉式成像微波輻射計(jì)，特別涉及一種雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻 射成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微波輻射計(jì)是被動(dòng)微波遙感領(lǐng)域中最基本的傳感器，是用來測量物體本身輻射 電磁波的高靈敏度接收機(jī)。由于微波具有很強(qiáng)的穿透性，因此微波輻射計(jì)具有全天 時(shí)、全天候的工作特點(diǎn)，這是可見光和紅外傳感器所無法比擬的，同時(shí)由于輻射計(jì) 本身不發(fā)射電磁信號，沒有電磁污染，適合于隱匿工作，而且目標(biāo)本身的熱輻射與 電磁散射是一個(gè)相反過程，因此成為雷達(dá)探測器的有效補(bǔ)充。然而由于受到天線口 徑以及掃描機(jī)械控制的限制，微波輻射計(jì)的分辨率較低，這是其實(shí)際應(yīng)用的主要障 礙，而干涉測量技術(shù)為突破這一屏障提供了有效手段，同時(shí)也是目前實(shí)現(xiàn)高分辨率 觀測應(yīng)用的有效途徑。
微波輻射的干涉測量技術(shù)是六十年代在射電天文領(lǐng)域發(fā)展起來的一種稀疏陣列 天線的信號處理技術(shù)，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡便是此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的典型代表，如參考
文獻(xiàn)[l] A. R. Thompson, J. M. Moran and G. W. Swenson， "Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy" , New York: John Wiley， 1986，中公開的技術(shù)。 隨著微波遙感技術(shù)的發(fā)展以及對地觀測需求的增長，八十年代末，人們開始嘗試采 用干涉測量技術(shù)來進(jìn)行被動(dòng)星載對地觀測，如參考文獻(xiàn)[2] C. S. Ruf, C. T. Swift, A. B. Tanner, and D. M. Le Vine, "Interferometric synthetic aperture microwave radiometry for the remote sensing of the earth" , IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 26, No. 9, pp. 597 - 611， 1988。
最早在對地觀測領(lǐng)域內(nèi)成功應(yīng)用的干涉式成像微波輻射計(jì)是在美國航空宇航局 (NASA)支持下研制的一維成像系統(tǒng)ESTAR(Electronically Scanned Thinned Array Radiometer),如參考文獻(xiàn)[3] D. M. Levine， A. J. Griffis， C. T. Swift, and T. J. Jackson, "ESTAR: A synthetic aperture microwave radiometer for remotesensing applications", Proceedings of the IEEE, Vol.82, No. 12， pp. 1787 - 1801， 1994。此系統(tǒng)有力的驗(yàn)證了干涉測量技術(shù)在被動(dòng)微波遙感領(lǐng)域中應(yīng)用 的可行性，并通過大量的實(shí)地測量實(shí)驗(yàn)，在土壤濕度和海水鹽度的遙感方面取得了 大量成果。但是一維干涉成像系統(tǒng)仍然存在很多缺點(diǎn)，比如它只是在交軌方向釆 用干涉測量方式，而在順軌方向仍然是采用傳統(tǒng)的實(shí)孔徑觀測方式，需要采用例如 桿狀波導(dǎo)縫隙天線，這給整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量方面帶來了負(fù)擔(dān)。
二維成像方式是干涉式輻射計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它是利用二維平面分布的稀疏 天線陣列來直接對二維視場進(jìn)行干涉成像，因此在兩個(gè)方向上都稀疏了天線陣結(jié)構(gòu)， 這樣就很大程度上簡化了天線陣的體積和重量。目前實(shí)現(xiàn)二維干涉成像的天線陣結(jié) 構(gòu)有"U"形、"T"形、"Y"形和"A"形等多種排列方案，如參考文獻(xiàn)[4] M. Martin-Neira and J. M. Goutoule， "A two-dimensional aperture synthesis radiometer for soil moisture and ocean salinity observations" , ESA Bulletin, No. 92， November, pp. 95 - 104， 1997。其中"Y"形天線陣性能較好，在相同的 視場和分辨率情況下，其系統(tǒng)復(fù)雜度最低，而且便于展開，因此被MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis, MIRAS)系統(tǒng)所采用，如參考文獻(xiàn) [5] M. Martin Neira， Y. Menard， J. M. Goutoule， and U. Kraft， "MIRAS, a two-dimensional aperture synthesis radiometer" , in Proc. IGARSS， Vol. 3， pp. 1323 - 1325， 1994。 MIRAS系統(tǒng)是二維干涉式成像輻射計(jì)的典型代表。
盡管如此，由于兩維干涉系統(tǒng)需要實(shí)施的不同基線的干涉測量(或采樣)的數(shù) 量是一維系統(tǒng)的平方倍，因此，即使空間分辨率要求并不高的系統(tǒng)，其天線單元和 接收通道數(shù)也很多。例如MIRAS系統(tǒng)采用了 69個(gè)天線與接收機(jī)單元，以及超過2000 個(gè)相關(guān)器，導(dǎo)致系統(tǒng)很復(fù)雜。為了更加充分地利用每個(gè)天線與接收機(jī)單元，進(jìn)一步 降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，用盡可能少的天線和接收機(jī)單元實(shí)現(xiàn)相同情況下的釆樣覆蓋， 研究人員提出了旋轉(zhuǎn)掃描方式的采樣方案，該方案對兩兩天線單元所形成的基線長 度進(jìn)行合理優(yōu)化后，使其經(jīng)過旋轉(zhuǎn)掃描采樣就可以實(shí)現(xiàn)完整的采樣覆蓋，如參考文 獻(xiàn)[6]"吳季,劉浩,孫偉英,姜景山，綜合孔徑微波輻射計(jì)的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用展望, 遙感技術(shù)與應(yīng)用，Vol. 20， No. 2， 2005, pp. 24-29"中公開的技術(shù)。由于此方案可 以實(shí)現(xiàn)干涉基線的無重復(fù)采樣，而且每對天線單元通過旋轉(zhuǎn)可以得到多個(gè)采樣點(diǎn)， 這樣就大大減少了天線和接收機(jī)的數(shù)量。這種方式的干涉式成像系統(tǒng)已經(jīng)被申請為 專利，如"中國專利申請?zhí)?00510123633.2，公開號CN1782734,發(fā)明人為吳季，劉浩，何寶宇,孫偉英，發(fā)明名稱為旋轉(zhuǎn)掃描被動(dòng)微波成像子母衛(wèi)星系統(tǒng)"。上述現(xiàn)有技術(shù)中，采用旋轉(zhuǎn)掃描方式的干涉式微波成像系統(tǒng)比較適用于對非瞬 變場景進(jìn)行觀測，即被觀測場景的輻射亮溫在系統(tǒng)掃描成像的時(shí)間范圍內(nèi)沒有明顯 變化?？紤]到對于非瞬變場景來說時(shí)間分辨率已不再是主要因素，因此采用現(xiàn)有旋 轉(zhuǎn)掃描技術(shù)的成像系統(tǒng)仍然顯得過于復(fù)雜,人們希望能夠進(jìn)一步對天線陣進(jìn)行稀疏， 從而最大程度地簡化干涉式成像微波輻射計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜度，并降低成本。同時(shí)，對 于由眾多天線單元和相關(guān)接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的干涉式成像微波輻射計(jì)，其定標(biāo)一直是 一個(gè)復(fù)雜的并有待完善的技術(shù)難題，而采用進(jìn)一步簡單的天線陣將大大降低系統(tǒng)的 定標(biāo)難度，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有成像系統(tǒng)的天線陣過于復(fù)雜的問題，并提供一種 新型高效的雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)。根據(jù)此目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案如下一種雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)天線單元，與天線單 元連接用于接收天線單元信號的接收機(jī)單元；其特征是，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，至少兩個(gè)天線單元分別通過連接裝置與所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置相連接，所述 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)各天線單元獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)并且各天線單元是共轉(zhuǎn)動(dòng)軸地在同一平面內(nèi)旋 轉(zhuǎn)；用于對所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元；控制包括對旋轉(zhuǎn)的方式、方向、速度以及步長等參數(shù)的控制；用于將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向外部發(fā)送的通信單元，與所述接收機(jī)單元相連接。 上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，至少兩個(gè)天線單元的相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離不相等。上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述至少兩個(gè)天線單元的相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距 離有兩種，分別為第一距離和第二距離，所述第一距離大于第二距離。上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述第二距離^和第一距離厶滿足如下公式am — 2sin((9ff/2)其中，^為所述天線單元的波束寬度，^為系統(tǒng)所要求的角度分辨率，義為系統(tǒng)接 收電磁信號的波長。在上述技術(shù)方案中，所述天線單元可以是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)；當(dāng)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)時(shí)，具有 第一距離的天線單元每旋轉(zhuǎn)W步，處l，具有第二距離的天線單元旋轉(zhuǎn)一步，不同 的步距角會(huì)得到不同的采樣點(diǎn)陣；在上述技術(shù)方案中，步距角可以是時(shí)變的。在上述技術(shù)方案中，所述天線單元可以是連續(xù)式旋轉(zhuǎn)，當(dāng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，具 有第一距離的天線單元和具有第二距離的天線單元的旋轉(zhuǎn)角速度不相同，不同的轉(zhuǎn) 速比會(huì)得到不同的采樣軌跡曲線。在上述技術(shù)方案中，所述天線單元可以是步進(jìn)式和連續(xù)式混合旋轉(zhuǎn)，當(dāng)混合旋 轉(zhuǎn)掃描時(shí)，步距角和角速度共同決定掃描軌跡曲線。在上述技術(shù)方案中，包括一個(gè)具有第一距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第二距 離的天線單元。在上述技術(shù)方案中，包括一個(gè)具有第二距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第一距 離的天線單元。在上述技術(shù)方案中，包括至少兩個(gè)具有第一距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第 二距離的天線單元。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 本實(shí)用新型提供的雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，能夠僅利用兩個(gè)天 線單元和接收機(jī)通道便可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)場景的二維成像觀測，從而將天線陣稀疏到極限，最大程度的降低了觀測系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了成本；(2) 本實(shí)用新型僅需要用簡單的機(jī)械控制系統(tǒng)便可方便的對空間頻域進(jìn)行完整的采樣覆蓋，而且采樣點(diǎn)在空間頻域的分布方式可以通過掃描方式進(jìn)行調(diào)整，得到適于反演算法的釆樣點(diǎn)陣分布；(3) 本實(shí)用新型使整個(gè)成像系統(tǒng)得到更大程度的簡化，所提供的時(shí)鐘掃描裝置 可以很容易的實(shí)現(xiàn)比己有結(jié)構(gòu)更長的觀測基線，再通過合理的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)掃描速度便 可得到更高空間分辨率的輻射圖像。(4) 在本實(shí)用新型的基礎(chǔ)上，可以通過增加天線單元，用適度增加的復(fù)雜度來 換取更高的系統(tǒng)性能，如時(shí)間分辨率和結(jié)構(gòu)平衡性等。(5) 本實(shí)用新型的雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)由于釆用稀疏的天線陣， 簡化了已有的干涉式成像系統(tǒng)所必需的復(fù)雜的定標(biāo)過程，提高了系統(tǒng)的精確度和穩(wěn) 定性。


圖1是本實(shí)用新型的掃描天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的陸基時(shí)鐘掃描干涉成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的固定步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描的采樣點(diǎn)陣示意圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的固定步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描的基線長度分布示 意圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的時(shí)變步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描的采樣點(diǎn)陣示意圖； 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例1中的時(shí)變步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描的基線長度分布示 意圖；圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例2中的星載連續(xù)掃描干涉成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例2中的星載連續(xù)掃描干涉成像系統(tǒng)的掃描天線結(jié)構(gòu)平 面示意圖；圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例2中的天線對5!—浙的采樣軌跡曲線示意圖； 圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例2中的系統(tǒng)最終采樣軌跡曲線示意圖；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述 實(shí)施例1本實(shí)施例對一種適用于陸基應(yīng)用的雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)進(jìn)行描 述。圖1表示出該成像系統(tǒng)的掃描天線結(jié)構(gòu)，至少兩個(gè)天線單元比如第一天線單元 1和第二天線單元2分別通過連接裝置比如剛性伸桿與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置(或稱作旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)) 3相連，使得兩個(gè)天線單元能夠共軸地在同一平面內(nèi)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。此處第一天線單元1 的相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)裝置3或者說到共同轉(zhuǎn)軸的距離是第一距離，第二天線單元2的 相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)裝置3或者說到共同轉(zhuǎn)軸的距離是第二距離,這兩個(gè)距離是不同的，比如第一距離大于第二距離。為了便于理解，可以形象地類似于鐘表上的走針一樣 將具有第一距離的天線單元或者天線單元及其到轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的連接裝置整體地叫做 "秒針"，將具有第二距離的天線單元或者天線單元及其到轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的連接裝置整體地叫做"分針"，"秒針"和"分針"的長度相應(yīng)地認(rèn)為是第一距離和第二距離。"秒 針"天線單元1和"分針"天線單元2與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3連接，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)， 兩個(gè)天線指針分別以不同的速度圍繞共同的中心轉(zhuǎn)軸在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，中心轉(zhuǎn)軸 是指向被觀測場景的。如圖2所示，整個(gè)雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)包括第 一天線單元l、第二天線單元2、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置3、第一剛性伸桿4、第二剛性伸桿5、 轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元6和支架9，接收機(jī)單元和通信單元安裝在支架9的內(nèi)部空間中，接 收機(jī)單元通過位于剛性伸桿4、 5內(nèi)部的導(dǎo)線分別連接到第一天線單元1、第二天線 單元2;轉(zhuǎn)動(dòng)裝置3垂直地從轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元6伸出，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置3包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件， 分別是共軸地安裝并且能夠共軸地獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)部件7和第二轉(zhuǎn)動(dòng)部件8; 第一天線單元l和第二天線單元2分別通過第一剛性伸桿4和第二剛性伸桿5固定 連接到第一轉(zhuǎn)動(dòng)部件7和第二轉(zhuǎn)動(dòng)部件8;第一剛性伸桿4有一個(gè)彎折部分41，第 二剛性伸桿5是直的桿，第一剛性伸桿4的長度大于第二剛性伸桿5，第一天線單 元1和第二天線單元2分別固定到彎折部分41和第二剛性伸桿5的末端，使得第一 天線單元1的相位中心、第二天線單元2的相位中心到共同轉(zhuǎn)軸的距離分別為第一 距離和第二距離并且當(dāng)?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)動(dòng)部件7、8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠帶動(dòng)第一和第二天線單 元1和2在同一個(gè)平面內(nèi)圍繞共同的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，第一距離大于第二距離。當(dāng)然本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，達(dá)到使兩個(gè)天線單元共軸、共平面旋轉(zhuǎn)的目的也可以通過其 他的方式，比如第一剛性伸桿4可以是直的桿，而使第二剛性伸桿5具有一個(gè)彎折 部分；轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元6是可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整地固定到支架9上，支架9的底部安裝有輪 子使得整個(gè)成像系統(tǒng)能夠根據(jù)需要移動(dòng)。這樣，該成像系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)掃 描指針"分針"和"秒針"，"秒針"由第一天線單元1和第一剛性伸桿4組成，"分 針"由第二天線單元2和第二剛性伸桿5組成。"分針"和"秒針"在位于中心的轉(zhuǎn) 動(dòng)控制單元6的控制下在同一平面內(nèi)繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與中心轉(zhuǎn)軸垂直， 此處的中心轉(zhuǎn)軸是第一轉(zhuǎn)動(dòng)部件7和第二轉(zhuǎn)動(dòng)部件8的共同的縱向方向，用虛線31 表示。轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元6以及中心轉(zhuǎn)軸31的俯仰角度可以根據(jù)觀測要求進(jìn)行調(diào)整。轉(zhuǎn) 動(dòng)控制單元6包括對旋轉(zhuǎn)的方式、方向、速度以及步長等參數(shù)的控制。本實(shí)施例作 為陸基應(yīng)用的成像系統(tǒng)，其中的通信單元可以通過有線數(shù)據(jù)傳輸方式將數(shù)據(jù)輸出到外部。上述的第一距離厶和第二距離厶滿足如下公式:2sin((9w/2)其中，^為所述天線單元的波束寬度，^為系統(tǒng)所要求的角度分辨率，^為系 統(tǒng)接收電磁信號的波長。第一和第二天線單元1、 2是采用喇叭天線，位于支架9內(nèi)部的接收機(jī)單元(圖 中未示出)將天線接收到的信號進(jìn)行混頻和放大，然后通過相關(guān)器進(jìn)行兩兩相關(guān)運(yùn) 算來得到可視度函數(shù)的采樣。天線指針一邊旋轉(zhuǎn)掃描，接收機(jī)單元一邊對可視度函 數(shù)進(jìn)行釆樣并存儲(chǔ)，待完成一個(gè)掃描周期后對存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理以得到觀測場 景的輻射圖像。"分針"和"秒針"的旋轉(zhuǎn)掃描方式也是實(shí)施方式的主要內(nèi)容。天線單元可以 是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)或是連續(xù)式旋轉(zhuǎn)；當(dāng)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，具有第一距離的天線單元每 旋轉(zhuǎn)V步，^1，具有第二距離的天線單元旋轉(zhuǎn)一步，不同的步距角會(huì)得到不同的 采樣點(diǎn)陣；當(dāng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，具有第一距離的天線單元和具有第二距離的天線單 元的旋轉(zhuǎn)角速度不相同，不同的轉(zhuǎn)速比會(huì)得到不同的采樣軌跡曲線。對于本實(shí)施例所描述的陸基應(yīng)用干涉式成像徼波輻射計(jì)系統(tǒng)，由于容易實(shí)現(xiàn)較 高的穩(wěn)固性和復(fù)雜的機(jī)械控制，因此"分針"和"秒針"可以采用步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)方式， 微波輻射計(jì)系統(tǒng)在天線指針的停止時(shí)刻進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)為固定點(diǎn)，天線單元在旋 轉(zhuǎn)過程中處在不同位置會(huì)形成不同的基線，通過設(shè)計(jì)指針的步進(jìn)策略來得到所需要 的采樣點(diǎn)陣。作為舉例，下面將對兩種情況的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描方式進(jìn)行描述。(l)固定步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描成像系統(tǒng)的"分針"和"秒針"分別以固定的步距角沿某一方向?qū)τ^測場景進(jìn) 行步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描，指針旋轉(zhuǎn)的步距角以及間歇時(shí)間通過中心轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元發(fā)出的 脈沖信號來進(jìn)行控制。當(dāng)微波輻射計(jì)系統(tǒng)要求為觀測視場角度為80°,角分辨率 為2°時(shí)，根據(jù)公式(l)可計(jì)算出最小基線與最大基線的長度，即對應(yīng)地第二距離厶 和第一距離^的大小-A" = Z^ 《0.78;i因此選取"=9Ai;，丄尸10A"， A『0.78;i。"分針"和"秒針"的步距角均設(shè)定 為12°時(shí)，即指針每周旋轉(zhuǎn)30步，本實(shí)施例比如采用"秒針"每旋轉(zhuǎn)一周，"分針" 旋轉(zhuǎn)一步的旋轉(zhuǎn)方式。由于空間頻域數(shù)據(jù)的共軛對稱性，當(dāng)"分針"旋轉(zhuǎn)半周后便 可以得到空間頻域的一個(gè)完整覆蓋，即"秒針"每周進(jìn)行30次采樣，"分針"旋轉(zhuǎn) 15步便得到一幅圖像。當(dāng)"分針"的初始采樣角度為O。，而"秒針"的初始采樣角 度為6°時(shí)，所得到的釆樣點(diǎn)陣如圖3所示，圖中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別表示以A" 為單位的空間頻域內(nèi)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。從圖中可看出采樣點(diǎn)分布在一系列的同心 圓上，每個(gè)同心圓上等角度分布著30個(gè)采樣點(diǎn)。同心圓的半徑代表有效基線的長度， 有效基線分布情況如圖4所示。當(dāng)然，為了提高成像的精度可以適當(dāng)增加指針每周 旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)數(shù)，即減小指針旋轉(zhuǎn)的步距角。(2)時(shí)變步距角步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)掃描方式采用時(shí)變步距角的步進(jìn)方式，可以得到一些特殊形式的采樣點(diǎn)陣，更加有利于 進(jìn)行成像處理。例如為了得到有效基線為均勻線性分布的采樣點(diǎn)陣，可以采用如 下的掃描策略-指針長度仍然取乙=9厶仏丄尸lOAw, A^0.78;i，且"分針"仍然保持固定步距 角的步進(jìn)方式，步距角6°，每周旋轉(zhuǎn)60步，旋轉(zhuǎn)半周后可成一幅圖像。與上例不 同的是"秒針"采用非均勻步距角的步進(jìn)方式。為了得到19個(gè)均勻線性分布的有效 基線，采樣策略為"分針"和"秒針"初始角度都為0。時(shí)開始旋轉(zhuǎn)掃描，在"分 針"旋轉(zhuǎn)第一步的期間內(nèi)，"秒針"旋轉(zhuǎn)的步距角依次分別為17.1°, 12.8°, 12.9°, 13.5°, 14.2。， 15.7°, 17.90， 22.8°, 53.1。， 37.4°, 28.0。， 19.8°， 16.7。， 14.80, 13.8°, 13.2°， 12.7°, 13.1°, 16.5°，此時(shí)"秒針"和"分針"的第二個(gè)駐留位置 正好重合，然后在分針旋轉(zhuǎn)第二步的期間內(nèi)，"秒針"再以同樣的步距角序列進(jìn)行步 進(jìn)掃描，如此重復(fù)直至"分針"旋轉(zhuǎn)半周(即30步)后即可完成整個(gè)區(qū)域的采樣覆蓋。 這種掃描及采樣策略所得到的采樣點(diǎn)陣如圖5所示，圖中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別表 示以Aw為單位的空間頻域內(nèi)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，采樣點(diǎn)等角度的分布在19個(gè)同心 圓上，每周有60個(gè)采樣點(diǎn)，有效基線為均勻線性分布，如圖6所示。同樣，為了得 到更密集的采樣點(diǎn)陣，可以適當(dāng)減小指針的步距角，增加每周的采樣步數(shù)。實(shí)施例2基于實(shí)施例1，本實(shí)施例對一種適用于星載應(yīng)用的雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成 像系統(tǒng)進(jìn)行描述。由于星載應(yīng)用對衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定性要求很高，因此為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡和提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，成像系統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)采用對稱式多指針分布 方式，即采用四"分針" 一四"秒針"天線結(jié)構(gòu)，"分針"和"秒針"分別沿中心轉(zhuǎn) 軸對稱。如圖7所示，對于星載應(yīng)用的輻射成像系統(tǒng)，受體積限制，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 控制單元、接收機(jī)通道，通信單元都安裝在主體單元12的內(nèi)部。如圖7所示，共有 8個(gè)天線單元10位于各自連接機(jī)構(gòu)的頂端，天線單元與中心轉(zhuǎn)軸通過剛性伸桿11 連接。所有天線單元關(guān)于中心轉(zhuǎn)軸18對稱分布，并在主體單元12內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)控制 單元的控制下在同一平面內(nèi)繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與中心轉(zhuǎn)軸垂直。中心轉(zhuǎn)軸以及天線單元指向地球被觀測區(qū)域。整個(gè)微波輻射計(jì)系統(tǒng)配備太陽能電池帆板13 以及衛(wèi)星與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)14。天線指針結(jié)構(gòu)的平面圖如圖8所示， 4個(gè)"秒針"天線單元15和4個(gè)"分針"天線單元16分別以90°的角度間隔沿中心 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)17對稱分布。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，由于在實(shí)施例1中和本實(shí)施例中 的天線單元數(shù)目不相同，所以帶動(dòng)這些天線單元的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)17和主體單元12內(nèi)部 的轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3和控制單元6有所不同，但 是天線單元共軸地、共平面地，且相互獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)是一樣的要求，根據(jù)實(shí)施例1的 描述，來完成本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)17和轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元的功能是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 勝任的。本實(shí)施例作為星載應(yīng)用的成像系統(tǒng)，其中接收機(jī)單元連接到天線單元，通 信單元與接收機(jī)單元連接，接收機(jī)單元和通信單元的設(shè)置和安裝在圖8中沒有示出，但這些設(shè)置和安裝對于本領(lǐng)于技術(shù)人員是可以勝任的。通信單元包括發(fā)射天線14， 成像系統(tǒng)利用發(fā)射天線14進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部(比如發(fā)送到地面 的數(shù)據(jù)接收裝置)?？紤]到太空中衛(wèi)星所受到的諸多限制因素，微波輻射計(jì)系統(tǒng)采用簡單易行的連 續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描方式，即"分針"和"秒針"以不同的角速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)邊掃描邊 進(jìn)行采樣，釆樣值為系統(tǒng)積分時(shí)間內(nèi)采樣軌跡曲線段的平均值。"分針"和"秒針" 長度的確定同實(shí)施例1，當(dāng)指針長度確定后，"分針"和"秒針"的轉(zhuǎn)速比將決定采 樣軌跡曲線的形狀。此實(shí)施例中比如指針長度仍然取乙-9A", Z尸10A"， A^0.78;i。 旋轉(zhuǎn)策略為兩指針采用勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描方式，"分針"和"秒針"的轉(zhuǎn)速比設(shè)為 19: 20，"秒針"的旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)為2" /(57Af)，其中At為輻射計(jì)系統(tǒng)接收機(jī)的積分時(shí)間，即"秒針"旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)可得到57個(gè)有效采樣點(diǎn)。"分針"的旋轉(zhuǎn)角速 度設(shè)為2 " / (60At)，即"分針"每旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)可得到60個(gè)有效采樣點(diǎn)。成像系統(tǒng)的天線在旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，共有16個(gè)天線對(即天線單元對S!—Mi,...， Sj—M4，， ..， S4—M4)同時(shí)進(jìn)行采樣，其中天線對5!—浙所得的掃描軌跡曲線如圖 9所示，圖中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別表示以A"為單位的空間頻域內(nèi)的縱坐標(biāo)和橫坐 標(biāo)，圖中實(shí)線為掃描軌跡曲線，虛線為其關(guān)于原點(diǎn)的對稱曲線。這16個(gè)天線對的掃 描軌跡會(huì)有重疊的情況，即出現(xiàn)重復(fù)采樣，因此共得到4幅不同的采樣圖案，分別 是圖9所示的軌跡曲線和其旋轉(zhuǎn)90。后所得曲線，以及這兩幅圖案關(guān)于x軸的對稱 圖案。這4幅圖案的疊加即為整個(gè)系統(tǒng)的最終采樣軌跡曲線，如圖IO所示。需要說 明的是，重復(fù)采樣的優(yōu)點(diǎn)是可以縮短成像的掃描周期，提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。例 如本實(shí)施例所描述的4X4天線單元指針掃描成像系統(tǒng)的掃描時(shí)間會(huì)比雙指針系統(tǒng) 縮短4倍，即"分針"旋轉(zhuǎn)19/4周，"秒針"旋轉(zhuǎn)5周便可完成一個(gè)掃描周期。上述實(shí)施例中的干涉式成像系統(tǒng)所采用的天線單元數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng) 改變，比如可以包括一個(gè)具有第一距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第二距離的天線 單元;或者包括一個(gè)具有第二距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第一距離的天線單元； 或者包括至少兩個(gè)具有第一距離的天線單元和至少兩個(gè)具有第二距離的天線單元。 同時(shí)，上述實(shí)施例中所描述的步進(jìn)式掃描方式和連續(xù)式掃描方式對于陸基或星載應(yīng) 用而言也沒有嚴(yán)格限制，可以根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行合理選擇。按照本實(shí)用新型公布的技術(shù)方案，可以設(shè)計(jì)出滿足不同應(yīng)用要求的掃描策略， 比如不同天線單元相互的旋轉(zhuǎn)方向既可以是同向旋轉(zhuǎn)也可以是反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)天線 單元既可以是圓周旋轉(zhuǎn)也可以是在一定弧度內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。而且本實(shí)用新型對于 微波以外的其他頻段的遙感成像設(shè)備同樣適用。最后需要說明的是，上述實(shí)施例僅是本實(shí)用新型的技術(shù)方案的某些特殊示例， 用于對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行說明和闡述，本實(shí)用新型并非限制于此，因此對 本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或移植，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1. 一種雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)天線單元，與天線單元連接用于接收天線單元信號的接收機(jī)單元；其特征是，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，至少兩個(gè)天線單元分別通過連接裝置與所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置相連接，所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)各天線單元獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)并且各天線單元是共轉(zhuǎn)動(dòng)軸地在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；用于對所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元；用于將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向外部發(fā)送的通信單元，與所述接收機(jī)單元相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是，至少兩 個(gè)天線單元的相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離不相等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是，所述至 少兩個(gè)天線單元的相位中心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離有兩種，分別為第一距離和第二距離， 所述第一距離大于第二距離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是，所述第 二距離乙和第一距離乙滿足如下公式-+丄m》"^""i~~^~ 2 sin 其中，^為所述天線單元的波束寬度，^為系統(tǒng)所要求的角度分辨率，義為系統(tǒng)接 收電磁信號的波長。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是， 所述天線單元是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)或者是往復(fù)式步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是，在所述 步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)中，步距角可以是時(shí)變的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是， 所述天線單元是連續(xù)式旋轉(zhuǎn)，當(dāng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，具有第一距離的天線單元和具有 第二距離的天線單元的旋轉(zhuǎn)角速度不相同；或者所述天線單元是往復(fù)式連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，其特征是，
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種雙速旋轉(zhuǎn)掃描干涉式輻射成像系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)天線單元，與天線單元連接用于接收天線單元信號的接收機(jī)單元；其特征是，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，至少兩個(gè)天線單元分別通過連接裝置與所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置相連接，所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)各天線單元獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)并且各天線單元是共轉(zhuǎn)動(dòng)軸地在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；用于對所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)動(dòng)控制單元；用于將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向外部發(fā)送的通信單元，與所述接收機(jī)單元相連接。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于降低觀測系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少成本；提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01S13/89GK201083834SQ20072010372
公開日2008年7月9日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者浩 劉, 季 吳, 成 張 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心