一种二维扫描成像大气临边探测仪

1.本发明涉及大气临边探测仪领域，特别涉及一种二维扫描成像大气临边探测仪。


背景技术：

2.首先，常规的大气临边探测仪通常采用单一反射面加馈源的形式，要达到理想的波束效率和天线方向图，要求有足够的焦径比，馈源距离反射面比较远。临边探测仪大部分工作在太赫兹频段，波长很短。馈源与反射面的距离相对于工作波长来说很远。基于上述两方面因素，要保证太赫兹馈源与反射面的精确对准难度非常大。
3.其次，常规的大气临边探测仪要实现二维圆锥扫描观测，通常采用主反射面、馈源和接收机系统联动，一起旋转实现圆锥扫描，参与旋转的部件比较多，转动惯量大，要保证长时间稳定运行对转动控制机构的要求非常高。
4.最后，常规的大气临边探测仪要保证反射面和馈源足够的距离，整个系统的结构松散，占用空间大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中无法保证太赫兹馈源与反射面的精确对准精度、转动控制机构无法满足探测仪需求以及常规探测仪占用空间大的问题，提出了一种二维扫描成像大气临边探测仪。
6.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
7.本发明提出了一种二维扫描成像大气临边探测仪，所述探测仪包括：天线单元；所述天线单元包括：三抛物反射面系统、旋转反射镜和馈源；
8.所述三抛物反射面系统，包括：主反射面、第一反射面和第二反射面；
9.所述馈源，用于在探测到目标时按特定的方向图辐射对应的能量；
10.所述第二反射面，用于将馈源辐射出去的能量反射形成平面波，并将平面波反射到旋转反射镜；
11.所述旋转反射镜，是一个可旋转的平面镜，用于通过调整平面镜法线角度将第二反射面传来的平面波反射到第一反射面；
12.所述第一反射面，用于将旋转反射镜传来的平面波反射到主反射面；
13.所述主反射面，用于将第一反射面传来的平面波反射形成远区平面波。
14.作为上述技术方案的改进之一，所述探测仪还包括：
15.接收机，用于把天线单元产生的远区平面波进行处理，产生可供外设接收、分析的电信号；
16.定标单元，包括冷定标源和常温定标源，用于在观测过程中为接收机实时标定增益和偏移；和
17.转动机构，包括平面镜转动电机和定标源转动电机，用于驱动平面镜和定标单元按照特定的时序转动。
18.作为上述技术方案的改进之一，所述主反射面、第一反射面和第二反射面均为标准抛物面结构，并进行刚度设计；为了防止照射漏失，所述第一反射面和主反射面的口面均进行一定比例的放大处理。
19.作为上述技术方案的改进之一，所述探测仪还包括：平面镜支架、定标源支架、底板和支撑座；
20.所述平面镜支架，用于安装平面镜、定标单元、转动机构、馈源和定标源支架；所述平面镜设计为镜面与转动轴一体，并采用双轴承对轴线进行定向；
21.所述定标源支架，用于安装冷定标源和常温定标源，并通过自身的旋转，使冷定标源和常温定标源依次遮盖馈源口面，实现冷定标源和常温定标源的切换；
22.所述底板和支撑座采取分体设计，用于安装和支撑反射面1、反射面2及平面镜支架；所述第一反射面和第二反射面，与平面镜支架相对安装在支撑座的两侧；
23.所述主反射面，与支撑座相对安装在地板的两侧。
24.作为上述技术方案的改进之一，所述第一反射面和第二反射面采用一体化设计。
25.作为上述技术方案的改进之一，所述探测仪还包括：接近开关，安装在平面镜支架上，用于确认定标单元转动位置是否覆盖馈源。
26.作为上述技术方案的改进之一，所述底板提供主反射面接口，支撑座提供第一反射面与第二反射面组合体的接口，支撑座提供平面镜支架接口，各接口的定位精度及形状误差优于0.005mm。
27.作为上述技术方案的改进之一，所述主反射面、第一反射面和第二反射面的型面精度rms优于0.02mm，表面粗糙度优于ra0.05μm；各反射面相对位置偏差不超过0.02mm。
28.作为上述技术方案的改进之一，所述平面镜表面粗糙度优于ra0.05μm，平面度优于0.02mm；
29.所述平面镜转动轴线与平面镜镜面法线夹角控制在4
°±
0.05
°
，交点位置度优于0.02mm；
30.所述平面镜转动速度为5～10rpm。
31.作为上述技术方案的改进之一，所述馈源为多个频率的馈源或单一宽频带馈源；馈源相位中心位置精度优于0.02mm，馈源旋转轴的轴线指向精度优于0.2
°
。
32.本发明的技术效果：
33.本发明的三反射面配合平面反射镜加馈源的观测方式，与常规的单一反射面加馈源的形式相比，能够有效缩短焦距，对于太赫兹天线而言可以大大降低对准难度，整个系统结构更加紧凑。另外，仅仅靠一个平面反射镜旋转就能实现对观测目标的二维圆锥扫描观测，而不是常规的主反射面、馈源和接收机系统联动一起旋转实现圆锥扫描，转动体更少，转动惯量小，更容易精确控制，大大降低对转动机构的精度和复杂度要求。另外，在观测周期内，常温源和冷源放置在适当位置，不对观测光路造成任何遮挡。在定标周期内，常温源和冷源依次遮盖馈源，实现实时两点定标。定标源的切换时间要结合探测仪系统的观测需求、定标需求，与平面镜的转动周期相配合。
34.以这种三反射面天线的结构为原型，根据观测需求可以配置多个频率的馈源或单一宽频带馈源，实现对观测目标二维扫描临边探测。
35.本发明与现有技术相比优点在于：
36.1.本发明仅靠一个平面反射镜旋转就能实现对观测目标的二维圆锥扫描观测，转动体单一，转动惯量小，易精确控制，大大降低对转动机构的精度和复杂度要求，更有利于实现长期稳定工作，提高仪器的使用寿命；控制精度主要由选用的电机精度和转动体的外形、重量等因素决定，临边观测通常需要旋转主反射面或载荷整体等比较大的旋转体来实现扫描观测，本发明里通过旋转一个小平面镜就能实现扫描，尺寸小，重量轻，转动惯量小，更容易精确控制。
37.2.本发明的三反射面配合平面反射镜加馈源的观测方式，与常规的单一反射面加馈源的形式相比，能够有效缩短主反射面到馈源的直线距离，对于太赫兹天线而言可以大大降低对准难度，提高系统的测量精度；
38.3.本发明的三反射面配合平面反射镜加馈源的方式，有效缩短焦距，整个系统结构紧凑，占地小，可以适用更多的工作平台和环境，提高空间利用率。
附图说明
39.图1为二维扫描临边探测仪系统示意图；
40.图2为本发明的三反射面系统示意图；
41.图3为三反射面系统与定标体结构组成示意，其中，图3(a)和图3(b)分别为在两个不同角度观察的三反射面系统与定标体结构组成示意图；
42.图4为主反射面和第一反射面、第二反射面组合体示意图，其中，图4(a)为主反射面示意图，图4(b)为第一反射面和第二反射面组合体示意图；
43.图5为平面镜和定标源示意图，其中，图5(a)和图5(b)分别为在两个不同角度观察的平面镜和定标源示意图；
44.图6为平面镜与转动机构连接结构示意图。
具体实施方式
45.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
46.本发明的大气临边探测仪系统包括天线单元、定标单元、转动机构和接收机四部分，其示意图如图1所示。天线单元由三抛物反射面天线、平面反射镜和馈源三部分组成，用于定向收集被测目标辐射的信号。定标单元包括冷定标源(简称冷源)和常温定标源(简称热源)，实现高、低温两个稳定、已知的辐射源输入量，用于在观测过程中为接收机实时标定增益和偏移。转动机构用于驱动平面反射镜和定标单元按照特定的时序转动。接收机用于把天线收集到的信号进行一系列处理，包括放大、变频、滤波和数字化、实时处理等，产生可供外设接收、分析的电信号。
47.实施例
48.如图1所示，为本发明实施例二维扫描临边探测仪系统示意图；本发明实施例的天线单元的系统示意图如图2所示，由主抛物面(主反射面)、抛物面1(第一反射面)、旋转反射镜、抛物面2(第二反射面)和馈源组成。
49.其工作原理为：馈源辐射出去的能量经过抛物面2反射形成平面波，该平面波经过旋转反射镜再次反射并照射在抛物面1上，经抛物面1反射后平面波汇聚在焦点位置，然后照射到主抛物面，并经其反射形成远区平面波；当旋转反射镜的角度发生变化时，照射在抛
物面1上的平面波角度也会随之发生变化，这就会造成一定的偏焦效应，使主抛物面反射出去的电磁波发生波束指向偏转，从而实现天线波束圆周扫描。探测仪搭载在飞行器上，随着飞行器的运动和天线的圆周扫描,探测仪在垂直于这个运动方向的平面内留下天线扫描的轨迹,观测到的亮温在沿这个运动方向的投影平面内形成图像。在该探测仪中，各抛物面均为标准抛物面结构，抛物面1和主抛物面在x轴方向均作了一定比例的放大处理，以防止照射漏失。
50.三反射面系统除要求反射面相对位置关系、型面精度等结构特性外，还需要平面镜周期转动、定标源自动切换机构运动特性。
51.本发明的大气临边探测仪系统工作在太赫兹频段，为了达到理想的电性能，对天线单元和定标单元的各组成部分主要功能要求如下：
52.1、主反射面、第一反射面和第二反射面型面精度rms(root-mean-square，均方根)优于0.02mm，表面粗糙度优于ra0.05；
53.2、各反射面相对位置关系优于0.02mm；
54.3、平面镜表面粗糙度优于ra0.05，平面度优于0.02mm；
55.4、平面镜轴线与平面镜镜面法线夹角4
°±
0.05
°
，交点位置度优于0.02mm；
56.5、馈源相心位置精度优于0.02mm，轴线指向精度优于0.2
°
；
57.6、平面镜转动速度5～10rpm(revolutions per minute，转每分)；
58.7、定标源冷热源可实现电动切换；
59.8、系统不能存在光路遮挡。
60.如图3所示，包括图3(a)和图3(b)，为本发明实施例的三反射面系统与定标体结构组成示意图，其中，图3(a)和图3(b)分别为在两个不同角度观察的三反射面系统与定标体结构组成示意图。
61.底板和支撑座为反射面及平面镜支架提供统一安装基础，第一反射面和第二反射面一体化设计，馈源、定标源、平面镜及转动轴系安装在平面镜支架上形成一体，通过支撑座与反射面组合为一体。各模块之间为保证相对位置精度，在底板和支撑座上分别设计了定位安装面，确保精度高效传递。
62.底板和支撑座分体，为保证系统精度，对底板提供的主反射面接口相对于底座提供的第一反射面、第二反射面组合体接口以及平面镜支架接口进行了精度约束，设计指标为，定位精度优于及各特征形状误差优于0.005mm。
63.如图4所示，包括图4(a)和图4(b)，为本发明实施例的主反射面和第一反射面、第二反射面组合体示意图，其中，图4(a)为主反射面示意图，图4(b)为反射面1和反射面2组合体示意图。
64.反射面分为两部分，一部分为主反射面，一部分为第一反射面、第二反射面组合体。为保证反射面精度，消除加工变形对反射面精度影响，对反射面进行了刚度设计，以确保反射面不发生变形。为保证相对位置关系，及结构抗加工变形能力，对第一反射面和和第二反射面进行了一体化设计，并在背面进行了减轻设计。
65.如图5所示，包括图5(a)和图5(b)，为本发明实施例的平面镜和定标源示意图，图5(a)和图5(b)分别为在两个不同角度观察的平面镜和定标源示意图。
66.平面镜支架上包括平面镜和定标源两部分。平面镜需要绕轴转动，且要保证镜面
的角度，所以将平面镜设计为镜面与转动轴一体，以保证镜面与轴线的角度，用双轴承对轴线进行定向，保证轴线指向且不发生跳动。平面镜及其转动机构安装在平面镜支架上，具体步骤是先在平面镜支架上安装两个轴承，接着安装平面镜，最后安装平面镜驱动电机。如图6所示，平面镜转动轴依次通过两个深沟球轴承与转动机构连接，两个轴承之间设有轴承挡圈；轴承与转动电机之间设有外圈压盖和内圈压盖，用于使平面镜与转动机固定连接。
67.定标源支架为定标源提供结构支撑，并实现冷热源自动切换。本发明采用旋转的方式，冷热定标体依次遮盖馈源口面，实现冷热源自动切换，利用接近开关确认定标源转动位置是否覆盖馈源。由于冷源对安装精度不敏感，故定标源的安装采用弹性扣，便于拆卸和安装。热源与支架采用紧配合的方式连接。定标源部分首先把冷热源安装在定标源支架上，然后，把定标源转动电机安装在平面静支架上定标源的一侧，接着安装带有冷热源的定标源支架，再安装接近开关，最后安装馈源。
68.各组成部分的整体连接方式是：支撑座安装在底板的一侧，主反射面安装在底板的另一侧。平面镜支架安装在支撑座的一侧，第一反射面、第二反射面组合体安装在支撑座的另一侧。
69.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明的三反射面配合平面反射镜加馈源的观测方式，与能够有效缩短焦距，对于太赫兹天线而言可以大大降低对准难度，整个系统结构更加紧凑。
70.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。