CN107492720B - 一种星载天底与临边一体化探测天馈系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，包括临边探测天线、天底探测天线、极化分离器、准光学馈电网络。临边探测天线采用双偏置卡塞格伦天线，包括第一主反抛物面、副反双曲面和平面折返镜；天底探测天线采用单偏置抛物面天线，包括第二主反抛物面、平面折反1镜、平面折反2镜；其中平面折反镜、平面折反1镜和平面折反2镜用于改变波束传播方向；极化分离器采用极化栅网实现，用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号；准光学馈电网络由若干频率选择表面、椭球镜、双曲镜和平面镜组成，其中频率选择表面用于分离多通道信号，并通过平面镜、双曲镜和椭球镜将各通道信号折返汇聚后馈送至各馈源喇叭中。

Description

一种星载天底与临边一体化探测天馈系统及方法

技术领域

本发明属于航天微波无源遥感辐射计技术领域，尤其涉及一种星载天底与临边两种模式同时探测的天馈系统及方法。

背景技术

太赫兹探测技术是星载遥感器重要发展方向之一，在大气遥感、冰云探测等方面都发挥着重要的作用。它具有覆盖范围广、精度高、全天候、数据连续等特点，尤其适合研究大气中痕量成分的源和汇以及提高大气温湿廓线的探测精度。结合已有的微波遥感、可见光、红外和紫外探测等手段，载荷产品可应用于灾害预警、环境保护和气候变化等领域，是大气科学研究活动不可缺少的重要探测手段。

大气成分遥感按探测方式的不同分为天底探测方式、临边探测方式。天底探测方式的空间覆盖范围大，主要用于探测大气痕量气体的总量分布，临边探测方式的垂直分辨率高，主要用于探测大气痕量气体的分层廓线。目前国内外现有的太赫兹探测仪器多为单模式的探测仪器。这些天底和临边探测仪器在大气环境监测方面发挥了重要作用，但缺点是探测模式单一，临边探测时，由于受地表干扰，无法探测底层大气成分。综合利用天底探测方式和临边探测方式可实现探测数据互补，可以实现更好的科学探测目的。因此，将两种探测方式结合起来的太赫兹大气遥感成为空间大气遥感领域的迫切需求。

发明内容

为满足多模式空间大气成分探测的迫切需求，本发明提出一种星载天底与临边一体化探测天馈系统和方法，其在对地球某一特定高度的切线方向上的大气进行探测的同时对天底大气进行探测。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，包括天底探测天线、临边探测天线、极化分离器和准光学馈电网络；

其中，所述临边探测天线包括第一主反抛物面、副反双曲面、平面折反镜，用于收集临边探测信号，通过所述平面折返镜改变波束传播方向，将信号折送至所述极化分离器；所述天底探测天线包括第二主反抛物面、平面折反1镜、平面折反2镜，用于收集所述天底探测信号，通过所述平面折反1镜、平面折反2镜改变波束传播方向，将信号折送至所述极化分离器；所述极化分离器用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，将临边探测信号和天底探测信号馈送至所述准光学馈电网络；所述准光学馈电网络包括频率选择器、椭球镜、双曲镜和平面镜，通过所述频率选择器将信号按照频率信息进行分离，使其各自形成一个网络通道，所述椭球镜、双曲镜和平面镜汇聚入射信号，并馈送至各通道馈源喇叭。

优选的，所述准光学馈电网络包括5个频率选择器、6个椭球镜、2个平面镜和1个双曲镜，共构成6个频段信号通道，通过高通低反的所述频率选择器，将各频段信号依次分离。

优选的，所述准光学馈电网络构成的6个频段信号通道分别为：

极化分离器→第一频率选择器→第二频率选择器→第一椭球镜→第一平面镜；

极化分离器→第一频率选择器→第二频率选择器→第二椭球镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第四频率选择器→第三椭球镜→第二平面镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第五频率选择器→第六椭球镜→第一双曲镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第四频率选择器→第四椭球镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第五频率选择器→第五椭球镜。

优选的，所述临边探测天线采用双偏置卡塞格伦天线。

优选的，所述天底探测天线采用单偏置抛物面天线。

优选的，所述极化分离器采用极化栅网。

优选的，平面折反1镜用以实现天底探测时所需的入射角。

优选的，平面折反镜用以实现临边探测时所需的垂直方向扫描高度。

优选的，所述副反双曲面用以扩大所述第一主反抛物面的焦距，以实现8倍等效焦距。

优选的，临边探测信号和天底探测信号通过所述极化分离器后，其焦点位置相同。

优选的，临边探测信号和天底探测信号具有相同的频段。

优选的，临边探测信号的垂直扫描轴与天底探测信号的水平探测扫描轴互相垂直。

优选的，临边探测过程中3个频段入射信号与天底探测的入射信号基本相同，通过调整天线焦距，使焦点位置处相同频段的不同入射信号波束半径相同，即可采用一路准光通道实现相同频段不同极化的两种入射信号的传播，便于准光学馈电网络的紧凑型和小型化设计。

一种星载天底与临边一体化探测方法，包括以下步骤：

(1)设计一个临边探测天线，采用双偏置卡塞格伦天线形式，避免副镜遮挡主镜，用于收集入射至该天线的临边探测信号，通过调整第一主反抛物面的焦距和副反双曲面的放大系数，以确保足够的等效焦距，便于平面折反镜和极化分离器的布局安装；

(2)设计平面折反镜，改变波束传播方向，以确保临边探测天线扫描探测时，第一主反抛物面和副反双曲面不产生物理上的遮挡；

(3)设计一个天底探测天线，采用单偏置抛物面天线形式，避开主镜遮挡影响，用于收集入射至该天线的天底探测信号，通过调整第二主反抛物面的焦距，便于通过极化分离器后，临边探测天线与天底探测天线的焦点位置相同；

(4)设计平面折反1镜，以确保天底探测所需的入射角；设计平面折反2镜，以确保天底探测天线在圆周方向扫描探测时，平面折反1镜与第二主反抛物面不产生遮挡；

(5)微调临边探测天线和天底探测天线的焦距，以便相同频段不同极化的两种入射信号在焦点位置有相同的波束半径；

(6)设计一个极化分离器，极化分离器采用极化栅网实现，用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，通过调整极化分离器的位置，选择合适的极化分离器的口径，使临边探测天线与天底探测天线在扫描探测过程中不会产生遮挡；

(7)设计一个准光学馈电网络，馈电网络的入口设计在天底探测天线和临边探测天线两个天线的焦点处，馈电网络采用5个频率选择器来实现六个频段的分离，每个通道通过双曲镜、平面镜和椭球镜汇聚不同通道的入射信号并馈送至各馈源喇叭。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明结构简单、布局紧凑，采用双天线与双入口复用准光学馈电相结合的天馈方式，解决探测模式的单一特点，综合利用天底探测和临边探测同区域近同时观测实现探测数据互补，可以达到更好的科学观测目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的星载天底与临边一体化探测天馈系统的立体结构示意图；

图2为本发明一实施例的天底探测天线、临边探测天线和极化分离器的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例的准光学馈电网络的立体结构示意图；

图4为本发明一实施例的馈电网络平面布局示意图。

符号说明：

MR1-第一主反抛物面；

SR-副反双曲面；

PL-平面折反镜；

MR2-第二主反抛物面；

PL1-平面折反1镜；

PL2-平面折反2镜；

P-极化分离器；

FC-天线焦点；

Q-准光学馈电网络；

FS1、FS2、FS3、FS4、FS5-频率选择器；

M1、M2、M3、M4、M5、M6-椭球镜；

H1-双曲镜；

P1、P2-平面镜。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本技术领域的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。

参考图1至图4，一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，包括天底探测天线、临边探测天线、极化分离器和准光学馈电网络，天底探测天线和临边探测天线通过极化分离器复用一个准光学馈电网络。

临边探测天线采用双偏置卡塞格伦天线，包括第一主反抛物面、副反双曲面、平面折反镜，第一主反抛物面的口径随入射信号频率、空间分辨频率而定，第一主反抛物面的焦距随极化分离器和准光学馈电网络布局安装而定，副反双曲面用于扩大第一主反抛物面焦距实现8倍等效焦距，平面折反镜改变波束传播方向便于天线结构紧凑设计和天线探测扫描轴设计，第一主反抛物面、副反双曲面和平面折反镜之间的相对位置可随着第一主反抛物面的等效焦距而变化。本实施中的第一主反抛物面、副反双曲面和平面折反镜具体的相对位置件说明书附图中的图2。

天底探测天线采用单偏置抛物面天线，包括第二主反抛物面、平面折反1镜、平面折反2镜，第二主反抛物面的焦距和口径随入射信号频率、空间分辨率而定，通过平面折反1镜改变波束传播方向实现第二主反抛物面对地探测，平面折反2镜改变波束传播方向便于天线结构紧凑设计和天线探测扫描轴设计，第二主反抛物面、平面折反1镜和平面折反2镜之间的相对位置可随着第二主反抛物面的焦距、对地入射角等特征而变化。本实施例中，第二主反抛物面、平面折反1镜、平面折反2镜的具体相对位置见说明书附图中的图2。

极化分离器采用极化栅网实现，用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，实现临边探测天线和天底探测天线复用一个准光学馈电网络，极化分离器的口径随临边和天底的入射信号频率、波束半径等特征而定，极化分离器位置随临边探测天线、天底探测天线与准光学馈电网络的相对位置而变化。

准光学馈电网络包括若干频率选择器、椭球镜、双曲镜和平面镜，其中频率选择器用于分离多通道信号，并通过双曲镜、平面镜和椭球镜将各通道信号折返汇聚后馈送至各馈源喇叭中，准光学馈电网络尺寸随入射信号频率、通道数、入射信号波束半径等特征而定。

其中，天底探测天线和临边探测天线通过极化分离器，两个天线焦点位置相同，天线波束扫描轴互相垂直，两个天线分别安装在卫星星体上；极化分离器直接安装在卫星星体上，准光学馈电网络设置一安装底板，通过安装底板安装在卫星星体上。

而且，馈送至准光学馈电网络的入射信号包括4通道临边探测信号和5通道天底探测信号；临边和天底探测信号中有3组通道频段基本相同，通过调整天底和临边探测天线的焦距，使得相近频段不同极化的入射信号到达天线焦点处的波束半径基本一致，便于准光学馈电网络的通道复用；该准光学馈电网络包括6个频段信号，通过高通低反的频率选择器将各频段信号依次分离；在该馈电网络中包括5个频率选择器、6个椭球镜、2个平面镜和1个双曲镜。

在具体实施过程中，为了实现两种探测模式下的两个天线复用一个准光学馈电网络，其具体的设计方法包括如下步骤：

(1)设计一个临边探测天线，采用双偏置卡塞格伦天线形式，避免副镜遮挡主镜，用于收集入射至该天线的临边探测信号，通过调整第一主反抛物面的焦距和副反双曲面的放大系数，以确保足够的等效焦距，便于平面折反镜和极化分离器的布局安装；

(2)设计平面折反镜，改变波束传播方向，以确保临边探测天线扫描探测时，第一主反抛物面和副反双曲面不产生物理上的遮挡；

(3)设计一个天底探测天线，采用单偏置抛物面天线形式，避开主镜遮挡影响，用于收集入射至该天线的天底探测信号，通过调整第二主反抛物面的焦距，便于通过极化分离器后，临边探测天线与天底探测天线的焦点位置相同；

(4)设计平面折反1镜，以确保天底探测所需的入射角；设计平面折反2镜，以确保天底探测天线在圆周方向扫描探测时，平面折反1镜与第二主反抛物面不产生遮挡；

(5)微调临边探测天线和天底探测天线的焦距，以便相同频段不同极化的两种入射信号在焦点位置有相同的波束半径；

(6)设计一个极化分离器，极化分离器采用极化栅网实现，用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，通过调整极化分离器的位置，选择合适的极化分离器的口径，使临边探测天线与天底探测天线在扫描探测过程中不会产生遮挡；

(7)设计一个准光学馈电网络，馈电网络的入口设计在天底探测天线和临边探测天线两个天线的焦点处，馈电网络采用5个频率选择器来实现六个频段的分离，每个通道通过双曲镜、平面镜和椭球镜汇聚不同通道的入射信号并馈送至各馈源喇叭。

在具体实施过程中，如图1至图4所示；其中，如图4所示为布局示意图，临边探测通道1的传播过程如下所示：

MR1→SR→PL→P→FS1→FS2→M1→P1；

临边探测通道2的传播过程如下所示：

MR1→SR→PL→P→FS1→FS2→M2；

临边探测通道3的传播过程如下所示：

MR1→SR→PL→P→FS1→FS3→FS4→M4；

临边探测通道4的传播过程如下所示：

MR1→SR→PL→P→FS1→FS3→FS5→M6→H1；

天底探测通道1的传播过程如下所示：

MR1→SR→PL→P→FS1→FS2→M1→P1；

天底探测通道2的传播过程如下所示：

MR2→PL1→PL2→P→FS1→FS3→FS4→M3→P2；

天底探测通道3的传播过程如下所示：

MR2→PL1→PL2→P→FS1→FS3→FS4→M4；

天底探测通道4的传播过程如下所示：

MR2→PL1→PL2→P→FS1→FS3→FS5→M5；

天底探测通道5的传播过程如下所示：

MR2→PL1→PL2→P→FS1→FS3→FS5→M6→H1；

其中临边探测通道1与天底探测通道1共用一个准光馈电通道，临边探测通道3与天底探测通道3共用一个准光馈电通道，临边探测通道4与天底探测通道5共用一个准光馈电通道。

然而，本发明提供的天底与临边探测天馈系统，并不限于本实施例提出的6通道太赫兹波段信号为限，还可以通过调整天线口径与焦距、极化分离器的位置与尺寸、准光学馈电网络通道数，应用于多通道星载毫米波与亚毫米波、太赫兹波段在两种探测模式下同时探测。

另外，本发明提供的天底与临边一体化探测天馈系统，不仅实现双天线与双入口复用准光学馈电网络，也便于太赫兹探测仪准光口面定标方案的实现。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。

Claims (11)

1.一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，包括天底探测天线、临边探测天线、极化分离器和准光学馈电网络；

其中，所述临边探测天线包括第一主反抛物面、副反双曲面、平面折反镜，用于收集临边探测信号，通过所述平面折返镜改变波束传播方向，将信号折送至所述极化分离器；所述天底探测天线包括第二主反抛物面、平面折反1镜、平面折反2镜，用于收集天底探测信号，通过所述平面折反1镜、平面折反2镜改变波束传播方向，将信号折送至所述极化分离器；所述极化分离器用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，将临边探测信号和天底探测信号馈送至所述准光学馈电网络；所述准光学馈电网络包括5个频率选择器、6个椭球镜、1个双曲镜和2个平面镜，将探测信号分离为6个通道，分别馈送至各通道馈源喇叭。

2.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述准光学馈电网络包括5个频率选择器、6个椭球镜、2个平面镜和1个双曲镜，共构成6个频段信号通道，通过高通低反的所述频率选择器，将各频段信号依次分离。

3.根据权利要求2所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述准光学馈电网络构成的6个频段信号通道分别为：

极化分离器→第一频率选择器→第二频率选择器→第一椭球镜→第一平面镜；

极化分离器→第一频率选择器→第二频率选择器→第二椭球镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第四频率选择器→第三椭球镜→第二平面镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第五频率选择器→第六椭球镜→第一双曲镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第四频率选择器→第四椭球镜；

极化分离器→第一频率选择器→第三频率选择器→第五频率选择器→第五椭球镜。

4.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述临边探测天线采用双偏置卡塞格伦天线。

5.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述天底探测天线采用单偏置抛物面天线。

6.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述极化分离器采用极化栅网。

7.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，所述副反双曲面用以扩大所述第一主反抛物面的焦距，以实现8倍等效焦距。

8.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，临边探测信号和天底探测信号通过所述极化分离器后，其焦点位置相同。

9.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，临边探测信号和天底探测信号具有相同的频段。

10.根据权利要求1所述的一种星载天底与临边一体化探测天馈系统，其特征在于，临边探测信号的垂直扫描轴与天底探测信号的水平探测扫描轴互相垂直。

11.一种星载天底与临边一体化探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计一个临边探测天线，采用双偏置卡塞格伦天线形式，避免副镜遮挡主镜，用于收集入射至该天线的临边探测信号，通过调整第一主反抛物面的焦距和副反双曲面的放大系数，以确保足够的等效焦距，便于平面折反镜和极化分离器的布局安装；

(2)设计平面折反镜，改变波束传播方向，以确保临边探测天线扫描探测时，第一主反抛物面和副反双曲面不产生物理上的遮挡；

(3)设计一个天底探测天线，采用单偏置抛物面天线形式，避开主镜遮挡影响，用于收集入射至该天线的天底探测信号，通过调整第二主反抛物面的焦距，便于通过极化分离器后，临边探测天线与天底探测天线的焦点位置相同；

(4)设计平面折反1镜，以确保天底探测所需的入射角；设计平面折反2镜，以确保天底探测天线在圆周方向扫描探测时，平面折反1镜与第二主反抛物面不产生遮挡；

(5)微调临边探测天线和天底探测天线的焦距，以便相同频段不同极化的两种入射信号在焦点位置有相同的波束半径；

(6)设计一个极化分离器，极化分离器采用极化栅网实现，用于选择水平极化的临边探测信号和垂直极化的天底探测信号，通过调整极化分离器的位置，选择合适的极化分离器的口径，使临边探测天线与天底探测天线在扫描探测过程中不会产生遮挡；

(7)设计一个准光学馈电网络，馈电网络的入口设计在天底探测天线和临边探测天线两个天线的焦点处，馈电网络采用5个频率选择器来实现六个频段的分离，每个通道通过双曲镜、平面镜和椭球镜汇聚不同通道的入射信号并馈送至各馈源喇叭。

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