專利名稱：：一維綜合孔徑微波輻射計的制作方法
技術領域：
：本實用新型屬于微波遙感
技術領域：
，具體地說，本實用新型涉及用于極化測量的孩l波輻射計。
背景技術：
：自20世紀80年代后期，以ESTAR的試飛成功為標志，一直用于射電天文領域的被動微波孔徑綜合技術成功應用于對地觀測領域。特別是對于較低頻率的對地孩i:波遙感系統來i兌，實孔徑孩吏波輻射計對天線的設計、加工、運載和在軌掃描都提出苛刻的要求。與之相反，綜合孔徑樣i波輻射計采用稀疏陣列和相關處理，同時獲得視場內所有像素的輻射亮溫，不需要天線的機械掃描。由于采用一定數目的小天線單元代替了大的天線單元，而小天線單元陣列在發射過程中可以折疊，從而也避免了大天線研制和運載的技術難題。ESTAR是一種一維綜合孔徑微波輻射計，采用波導縫隙天線作為單元天線，交軌方向為寬波束，通過孔徑綜合技術提高空間分辨率；順軌方向為窄波束，通過平臺本身的運動實現推掃成像。但是ESTAR是一種單一極化微波輻射計，這是由于波導縫隙天線本身的局限性所造成(可參考C.S.Ruf，C.T.Swift,A.B.Tanner,andD.M.LeVine,"InterferometricsyntheticaperturemicrowaveradiometryfortheremotesensingoftheEarth,"IEEETrans.Geosci.RemoteSensing,vol.26，卯.597611，Sept.1988.和D.M.LeVine，C.T.Swift,andM.Haken，"Developmentofthesyntheticaperturemicrowaveradiometer,ESTAR,，，IEEETrans.Geosci.RemoteSensing,vol.39,pp.199202,Jan.2001.)。自1994年起，歐洲空間局開始進行二維綜合孔徑的研究。采用孔徑綜合技術的成像微波輻射計(MIRAS)作為土壤濕度與海洋鹽度使命的唯一載荷，成為歐空局地^求探測計劃中第二個被批準的項目。MIRAS采用了Y形陣列布局來保證以最少的天線單元獲得最大的空間分辨率。在MIRAS中革命性地引入了極化測量模式，從而具備了更強大的能力，對海洋和陸地的微波輻射特征進行研究。MIRAS中由于采用了圓形微帶天線，因此極化信息的分離并不是很大的困難。但是由于二維綜合孔徑微波輻射計單元數眾多，給系統的設計，調試，定標和圖像的反演都帶來極大的困難(可參考M.Martin-NeiraandJ.M.Goutoule，"MIRAS—Atwo—dimensionalaperture-synthesisradiometerforsoilmoistureandoceansalinityobservations",ESABulletin,No.92，pp.95-104，Nov.1997.)。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，將極化單元天線和波束賦形技術與傳統一維綜合孔徑輻射計相結合，采用定標波束及工作波束的雙波束設計，從而提供一種具有電掃描極化測量能力、圖像反演模型簡單且系統復雜度低的一維綜合孔徑微波輻射計。為實現上述發明目的，本實用新型提供的一維綜合孔徑微波輻射計包括依次連接的天線陣列、接收機陣列、相關器單元、控制和數據處理單元，所述控制和數據處理單元與計算機或數據接口連接；其特征在于，所述天線陣列是一維天線陣列，該天線陣列由平行排列的雙極化天線單元組成。雙極化天線的兩個極化方向分別對應^和^輸出，其中^是垂直極化輸出，^是水平極化輸出。上述技術方案中，所述一維極化天線單元的天線面與地球球心共面；所述一維極化天線單元的工作波束呈圓錐面，該圓錐面的軸線經過地球球心。上述技術方案中，所述一維極化天線具有接收宇宙背景輻射的定標波束，所述定標波束為扇形波束或圓錐面波束。上述技術方案中，所述一維綜合孔徑微波輻射計可以工作于單一極化模式，雙極化模式或全極化模式。上述技術方案中，所述接收機為雙通道接收機。當每個單元天線都采用雙通道接收機時，本實用新型的微波輻射計為全極化輸出，能夠同時測量4個Stokes參數。上述技術方案中，所述接收機為單通道接收機，并通過極化切換序列，實現單極化、雙極化或全極化測量。上述沖支術方案中，天線單元采用波導縫隙天線或者孩i帶天線。本實用新型具有如下技術效果1.實現了一維綜合孔徑的全極化測量；2.實現了綜合孔徑輻射計等入射角測量；3.實現了綜合孔徑微波輻射計的兩點定標；4.本實用新型的一維孔徑綜合的技術復雜度低于二維孔徑綜合；5.單通道接收機極化切換模式滿足了輕量化和低功耗的要求；6.雙通道接收枳^莫式實現了高靈敏度輻射測量。圖1為一維綜合孔徑微波輻射計示意圖。圖2為雙波束單元天線簡化原理圖，圖中所示為4個微帶單元形成的單元天線，左側定標波束由各微帶單元同相相加，形成傳統扇形波束，波束恒定指向冷空，為系統定標提供平坦目標，右側工作波束由各微帶單元加權后相加，因此波束偏離天線陣列法線，形成圓錐面波束。圖3為天線陣列、基線構成及極化切換序列；圖中橫軸為天線單元位置，圖中數字為基線構成，垂直粗線為天線極化切換序列，圖中共有三種不同的切換序列，分別為VV朋、VHVH、HVVH,其中V和H分別表示垂直和水平極化。圖4為一維全極化綜合孔徑輻射計與MIRAS的組合應用。圖5為一維全極化綜合孔徑微波輻射計系統框圖。具體實施方式本實用新型建立在ESTAR和MIRAS的基礎之上，通過采用一維極化單元天線，使得一維綜合孔徑微波輻射計也具有了極化測量的能力。同時，由于采用了波束賦形技術，保證了所有分辨單元的入射角相同，極大的降低了圖像反演的難度。革命性的雙波束設計使得綜合孔徑微波輻射計也具有了兩點定標能力，從而保證了系統測量的精度。相對于傳統的一維單極化綜合孔徑輻射計，本實用新型引入全極化測量和波束賦形技術；相對于以MIRAS為代表的二維綜合孔徑輻射計，本實用新型采用了較少的天線單元，極大的緩解了對整個系統進4亍研制和調試的困難，降低了系統的復雜程度。以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步地描述。實施例1本實施例的一維全極化綜合孔徑微波輻射計依次連接的天線陣列、接收機陣列、相關器單元、控制和數據處理單元，所述控制和數據處理單元與計算機或數據接口連接；其特征在于，所述天線陣列的天線單元均為一維極化天線單元，如圖1所示，天線陣列1的一維極化天線單元的天線面與地球球心共面，即天線面垂直于天底點4地球表面并指向地球中心(即天線面垂直于地球表面在天底點4處的切平面)。這里一維極化天線單元是指在一維綜合孔徑輻射計中采用的極化天線單元。其實現形式可以是波導縫隙天線或者微帶天線，由一系列縫隙或單元貼片形成一個天線單元。本實用新型采用的極化天線單元均為雙極化天線，其兩個極化方向分別對應^和^輸出，其中^是垂直極化輸出，^是水平極化輸出。對天線主波束(即工作波束2)進行賦形設計，使得實際天線波束不再是傳統的扇面，而是圓錐面，且圓錐面的軸線(即天線面與天底點4之間的連線)延長線經過地球球心，這樣就保證了地球表面上，波束內每一個像素的入射角a相同。由于極化輻射測量對入射角"的變化極為敏感，這種相同入射角的設計極大的簡化了極化定標的困難。本實用新型的工作波束地面足跡3為圓弧，圖1中2,3構成天線波束前端，21,31構成天線波束尾端。本實施例的所有一維極化天線單元均具有定標波束5和工作波束2，如圖2所示，從而實現了綜合孔徑微波輻射計的兩點定標。圖2中所示為4個微帶單元形成的單元天線，左側定標波束由各微帶單元同相相加或加權后相加，形成傳統扇形波束，該扇形波束恒定指向冷空，為系統定標提供平坦目標；右側工作波束由各微帶單元加權后相加，使得波束偏離天線陣列法線，形成圓錐面波束。這里的冷空是指宇宙背景，其輻射亮溫為2.7K,通常用做全功率微波輻射計的定標。扇形波束指向冷空的意思是說，波束需要避開地球和太陽。微波輻射測量的關鍵是確定目標的輻射亮溫，但是由于輻射計本身的溫度漂移，精確的亮溫測量只能夠通過定標實現。當接收機檢波器線性很好時，知道兩個點，就可以利用線性關系推算出地球表面的亮溫。本實施例中這兩個點選擇冷空和匹配負載，其輻射亮溫分別是2.7K和290K(等于接收機實際物理溫度)。本實用新型中的工作波束和定標波束均是指用于接收信號的波束。本實施例的一維綜合孔徑微波輻射計可以工作于單一極化模式，雙極化模式或全極化模式。本實施例中可采用波導縫隙天線，天線單元為桿狀，天線陣列為離散的桿狀天線陣(如圖3所示)；也可采用^:帶天線，此時天線單元本身是一維線性微帶陣列，整個天線陣為二維微帶陣列。本實施例中采用雙通道接收機，當每個單元天線都采用雙通道接收機時，該系統同時測量4個Stokes參數，因此為全極化輸出，也就是說單一極化模式和雙極化模式不需要對儀器進行設置，只需從全極化測量結果中取出相應的數據即可。Stokes參數可表示為I,=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中&為垂直極化電場，^為水平極化電場；《和《分別為垂直極化電場和水平才及化電場的共扼；o表征時間平均；Re表示取其實部，Im表示取其虛部。在本實施例的雙通道接收機方案中，兩個接收機分別輸出^和i^信號。因此按照Stokes參數的表達式，雙通道接收機可以同時測量4個Stokes參數。Stokes參數完整反映了地物的微波輻射特征，通過對Stokes參數的測量，能夠獲得很多有用信息，比如海面的風速和風向等。單極化測量是獲得第一個或第二個參數；雙極化測量是同時獲得前兩個參數；全極化測量是同時獲得4個參數。ESTAR采用單極化測量，獲得第一個參數；MIRAS是全極化測量，獲得全部4個參數；本實用新型的一維全極化綜合孔徑微波輻射計(英文名稱為FPIR)也是獲得全部4個參數。本實施例中，相關器單元用于對天線接收信號進行相關處理，對天線輸出信號進行復相乘及積分處理(時間平均)，從而獲得Stokes參數。本實施例中，控制和數據處理單元對整個系統的工作狀態和工作時序進行控制，將獲得的Stokes參數進行打包、緩存后，發送到計算機或數據接cr。本實施例中，計算機或數據接口對接收到的數據進行處理，圖像反演；或轉發給衛星平臺進行數據下傳。實施例2本實施例的一維全極化綜合孔徑微波輻射計包括依次連接的天線陣列、接收機陣列、相關器單元、控制和數據處理單元，所述控制和數據處理單元與計算機或數據接口連接；其特征在于，所述天線陣列的天線單元均為一維極化天線單元。本實施例中的極化天線單元為雙極化天線。本實施例中的一維^L化天線，天線面與地球J求心共面，即天線面垂直于天底點地5求表面。天線主波束進行賦形設計，因此實際天線波束不再是傳統的扇面，而是圓錐面，圓錐面的軸線延長線經過地球球心，這樣就保證了地球表面上，波束內每一個像素的入射角相同。由于極化輻射測量對入射角的變化極為敏感，這種相同入射角的設計極大的簡化了極化定標的困難。本實施例中的接收機陣列采用單通道接收機。本實施例適用于系統的體積、重量和功耗等受限，無法容納雙通道接收機的情況。采用單通道接收機,附以特殊的開關切換序列，可實現單極化、雙極化或全極化測量。本實施例中單通道接收機通過切換序列，利用同一個接收機順序輸出&或&極化信號，因此單通道接收機只能一個一個的測量Stokes參數。在采用單通道接收^li時，其開關切換序列的設計原則是保證在一個序列周期內，不同天線單元所組成的基線，均勻采集兩個單極化信號VV、HH以及交叉極化信號VH和HV。由于VH-HV，因此這里均勻采集是指各極化信號采集時間Tvv=Thh=Tvh+Thv。其中，Tvv、Thh、Tvh、L分別是系統對單極化信號VV、HH以及交叉極化信號VH和HV的采集時間(即積分時間)。本實施例中，一維綜合孔徑微波輻射計的陣列配置、基線構成及極化切換順序的一個具體的方案如圖3所示，陣列布局為ll單元陣列，滿足極化切換要求下的最小冗余設計，其基線滿足了從0間距到38間距的均勻覆蓋，其陣列配置能夠滿足極化切換要求。但是圖3僅僅描述了該實用新型的一個實施例，權利要求不限于11基線也不限于38間距。在采用單通道接收機方案進行雙極化和全極化測量時，需要采用極化切換序列，積分時間被分享。因此當采用單通道接收機方案進行雙極化和全極化測量時，輻射靈敏度相應變差。本實用新型提供的一維綜合孔徑微波輻射計是一種微波遙感器，可以搭載于任何波束無遮擋的平臺，比如機載或星載。比如與MIRAS的組合應用。圖4示出了本實用新型的一個應用實例，該實例為本實用新型的裝置搭栽于MIRAS平臺，為MIRAS提供海面風場信息(如提供海面粗糙度的輔助信息)。如圖4所示，本實用新型的天線陣列1安裝于MIRAS平臺8的一側，MIRAS平臺8具有3條MIRAS臂9，其頂部為帶有太陽能帆板7的衛星平臺6，該衛星平臺6為載荷提供電力以及姿態控制功能。MIRAS的地面足跡10與本實用新型工作波束的地面足跡3等寬。本實用新型的地面足跡具有等入射角a的特點。工作在X波段(10.7GHz)的一維全極化綜合孔徑微波輻射計，可以用于海面風場(風速和風向)和陸地植被的測量，風場和植被信息對MIRAS海水鹽度和土壤濕度的反演具有至關重要的作用。一個本實用新型的參數為X波段的風場測量輻射計系統性能如表1所示，儀器參數如表2所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1、一種一維綜合孔徑微波輻射計，包括依次連接的天線陣列、接收機陣列、相關器單元以及控制和數據處理單元，所述控制和數據處理單元能與計算機或數據接口連接，其特征在于，所述天線陣列是一維天線陣列，所述天線陣列由平行排列的雙極化天線單元組成。2、按權利要求1所述的微波輻射計，其特征在于，所述雙極化天線單元的天線面與地球球心共面，所述雙極化天線單元的工作波束呈圓錐面，所述圓錐面的軸線經過地球球心。3、按權利要求1所述的微波輻射計，其特征在于，所述雙極化天線單元具有接收宇宙背景輻射的定標波束，所述定標波束為扇形波束或圓錐面波束。4、按權利要求l、2或3所述的微波輻射計，其特征在于，所述接收機陣列中的接收機為雙通道接收機。5、按權利要求l、2或3所述的微波輻射計，其特征在于，所述接收機陣列中的接收機為單通道接收機。6、按權利要求l、2或3所述的微波輻射計，其特征在于，所述雙極化天線單元采用波導縫隙天線或者微帶天線。專利摘要本實用新型涉及一種一維綜合孔徑微波輻射計，包括依次連接的天線陣列、接收機陣列、相關器單元、控制和數據處理單元，所述控制和數據處理單元與計算機或數據接口連接；其特征在于，所述天線陣列是一維天線陣列，該天線陣列由平行排列的雙極化天線單元組成。本實用新型具有如下技術效果實現了一維綜合孔徑的全極化測量；實現了綜合孔徑輻射計等入射角測量；實現了綜合孔徑微波輻射計的兩點定標；本實用新型的一維孔徑綜合的技術復雜度低于二維孔徑綜合；本實用新型的單通道接收機極化切換模式滿足了輕量化和低功耗的要求；本實用新型的雙通道接收機模式實現了高靈敏度輻射測量。文檔編號G01R29/08GK201138358SQ200720169818公開日2008年10月22日申請日期2007年7月20日優先權日2007年7月20日發明者季吳,閻敬業,馬紐埃爾·馬丁·尼拉申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心