具有頻率擴散直線陣天線的輻射測定成象器的製作方法

2023-04-27 05:38:46

專利名稱:具有頻率擴散直線陣天線的輻射測定成象器的製作方法
本發明涉及輻射測定成象器(radiometric imager)，特別是用線源或直線陣天線和扇形射束反向確定二維場景頻譜的輻射測定成象器。
高解析度的輻射測定成象在宇航、氣象、海圖和天文領域中有許多實際應用。輻射測定成象器特別適用於描繪大地的、行星的和海洋特徵的圖象;測量大氣層水蒸汽、雨和海面溫度;以及估計水文現象和雲或雨下面的地表狀況。
一種現有的、由線源天線用一系列扇形射束(fanbeam)掃描一個場景得出二維圖象的微波輻射儀的描述見共同未決和共同轉讓的美國專利申請書，序號607、869，申請日期1984年5月7日，發明人卡爾·艾·威利(Carl A·Wiley)和查爾斯·阿爾·埃德爾松(Charles R·Edelsohn)，題名為「扇形射束反向微波輻射儀」(Microwave Radiometer Using Fanbeam Inversion)。該儀器稱為「自旋式輻射測定儀」(「Spinrad」)。在共同未決的申請書中公開的一個實施例包括一個機械掃描的拋物柱面天線，另一個實施例包括一個電子掃描的、可轉動的直線陣天線。在該二例中，天線信號經適當處理後對被掃描的場景重新構成一個單一的輻射測定圖象。
輻射測定成象的許多應用需要了解被掃描的場景中的每一片段的頻譜。以往是採用在所需頻率範圍內射束方向不變的線源天線(即非頻率擴散(non-freguency-dispersive)天線)獲得的。一組帶通濾波器把天線輸出信號分到多個不同頻率的貯存器中，然後用場景的相交情況;
圖5示出了多個F0扇形射束相對於該射束的多個轉動位置和在自旋式輻射測定儀(Spinrad)結構(Scheme)中與欲成象的場景中的一個單一象素P相交的情況;
圖6是本發明另一實施例的簡化示意圖，它包括安排得相互分開並平行的兩付頻率擴散直線陣天線(RAD SAR)以構成一個掃描幹涉儀。
參見上述附圖，特別是圖1～3，這裡示出了用於掃描場景11(圖3)並產生該場景的一組寄存圖象的輻射測定成象器的第一實施例，每一圖象代表在一個特定窄頻段中接收到的輻射。輻射測定成象器包括一付頻率擴散直線陣天線13，該天線13基於從一系列圓錐狀扇形射束中接收到的輻射提供輸出信號。在圖2中用標號15表示二個典型扇狀射束。每一扇形射束不管其接收輻射的圓周方向如何都收集一個特定的窄頻帶中的輻射，提供輸出信號，其頻帶範圍從一個終端角處的低頻F0開始，到相對的終端角處的高頻Fn為止。該扇形射束可以是一系列離散的圓錐狀射束，也可以是連續的射束。
天線13最好是常規的行波直線陣天線，這種天線陣包括一根長饋線，一端為輸入端，另一端接負載。輻射器沿該饋線的長度與饋線耦合。
圖3清楚地示出了由天線13接收的圓錐狀扇形射束15和景象11以一系列分開的圓錐狀截面16相交的情況。若該場景極為平坦，這些圓錐狀截面實際上是雙曲線。若該場景由地球的部分球表面組成，則圓錐截面形成較複雜的曲線。對小地區的觀察，雙曲線可作為這些曲線的最佳近似。
按照本發明，輻射測定成象器包括掃描機構17(圖1)，用以可控地使該直線陣天線13在一系列位置上面移動，使其扇形射束15掃描該場景11，每一射束和該場景的每一小片段相交。在圖1～3的實施例中，這種機械掃描是通過可控地使天線圍繞著對準該場景的方向的一個軸(亦即圖3中的z軸)轉動並使天線圍繞著垂直於天線軸並平行於該場景的軸(亦即圖3中的Y軸)擺動來實現的。
對每一遞增的擺動位置，天線13都要作360°的全程旋轉。由此取得的數據可以在每一遞增的旋轉位置對每一頻率構成一組掃描。圖4(a)和4(b)示出兩組都在F。扇形射束時的掃描。圖4(a)示出在一個特定旋轉位置時，幾個典型擺動位置處的F。扇形射束的相交情形，圖4(b)是在另一轉動位置時，對於相同的典型擺動位置的F。扇形射束的相交情形。在每一個轉動位置，被掃描的場景11的每一片段僅和每個扇形射束相交一次。當天線按規定的擺動和轉動運動時產生的輸出信號中包含的數據被存貯，以便依次處理。
圖1示出本發明的第一個實施例的輻射測定成象器的簡化方框圖。天線輸出信號從天線13經導線19傳輸到放大器21予以適當放大。接著將已放大的信號經導線23送到一組帶通濾波器25，每一濾波器對應於每一扇形射束。由此產生的濾波信號經導線27送到一組檢測電路29檢測信號幅度。這些由此檢測的幅度代表了天線在n個連續的窄頻帶內、由於扇形射束15與被掃描的場景11相交而確定的圓錐狀截面16中所接收到的輻射強度的積分。
檢測電路組29所產生的n個強度信號經導線31送到數據存貯器33存貯，以便依次處理數據。與此同時，表明天線13的瞬時的擺動和轉動位置的數據由掃描機構17經導線35傳送到數據存貯器。該數據對正確判斷天線數據是很重要的。該存貯數據依次輸出，經導線37傳送到數據處理器39，經適當處理後確定該被掃描的場景11不同頻率貯存器中保存的數據使該場景中一組寄存的圖象顯現出來。在這種系統中使用的多個線源天線在結構上龐大笨重，如羅德曼(Rotman)透鏡或面反向器天線(即拋物柱面天線)。其他線源天線如駐波陣天線比透鏡或反向器小而輕，但頻帶太窄。
因此，應該了解非常需要一種可以在寬頻率範圍內提供一個場景的頻譜圖象的、結構不龐大笨重、頻率範圍不太窄的輻射測定成象器。本發明實現了這個要求。
本發明體現在一種輻射測定成象器和一種與之有關的方法中，用一個重量輕的頻率擴散的(freguency-dispersive)的直線陣天線來確定欲成象的二維場景中的每一片段的頻譜。該天線提供的輸出信號相應於接收到的代表予定頻率範圍內的特定頻率的一系列園錐狀扇形射束的輻射。這些扇形射束以一系列分開的園錐狀截面和要掃描的場景相交。本成象器包括擺動裝置，用以可控地使天線圍繞擺動軸擺動，該軸垂直於該天線軸，平行於該場景面，使園錐狀扇形射束以預定的方式對該場景掃描。天線輸出信號包含了代表在所有的預定頻率範圍內從該場景所有片段接收的全部輻射的數據。該數據存貯於數據存貯裝置中。按照本發明，輻射測定成象器還包括輔助移動裝置，用以可控地使天線以其它方式移動，以分辨被存數據中的模糊點。因此，數據處理裝置可以處理被存數據，以確定該場景的所有片段的頻譜。
在本發明的一個實施例中，輔助移動裝置包括用以可控地使天線圍繞著既垂直於天線軸和又垂直於擺動軸的軸轉動的裝置。該擺動裝置和轉動裝置以此互相協作，使每一園錐狀截面和場景的每一片段多次相交。該轉動裝置最好使天線為每一遞增的擺動位置都轉動360°。
在本發明的其它實施例中，輻射測定成象器還包括第二付頻率擴散直線陣天線，它和第一付天線基本相似。這兩付天線安排得互相分開並平行，以使它們形成一個具有一系列為掃描場景用的園錐狀扇形射束的幹涉儀。該幹涉儀稱為輻射測定綜合孔徑雷達(RADSAR)。
在這些其它的實施例中，輔助移動裝置可採用多種形式。例如，它可以在垂直於天線軸和平行於場景方向上相對於場景平移(translate)第一付天線和第二付天線。另外，輔助移動裝置可以包括一個用以可控地使兩付天線圍繞平行於它們縱軸一個軸轉動的裝置，以可控地改變沿垂直於場景方向的一個軸的兩天線之間的有效間距。在另一實施例中，輔助移動裝置可以包括一個用以在保持它們的平行關係時可控地移動兩付天線彼此接近或分開的裝置，以可控地改變在兩沿垂直於場景方向的一個軸上的、在兩付天線之間的有效間距。
數據信號處理裝置可以方便地產生多個該場景的寄存圖象，每個圖象都基於預定頻率範圍內的特定頻帶的被存數據。利用修正的雷登(Radon)換算法，根據被存數據可以方便產生這些圖象。
本發明的其它方面與益處從以下優選實施例的描述並結合用舉例的方法說明本發明原理的下列附圖將會一目了然。
圖1是頻率擴散的本發明的一個實施例的輻射測定成象器的簡化方框圖;
圖2是圖1的直線陣天線的示意圖，它示出了二個不同頻率的圓錐狀扇形射束;
圖3是圖1的直線陣天線的示意圖，它示出了它的幾個扇形射束與被掃描場景相交的情況;
圖4(a)和4(b)示出了二組典型扇形射束在同一頻率F0相對於扇形射束的兩個典型轉動位置和幾個典型擺動位置與欲成象的的每個小片段的頻譜。這就得出了一系列寄存的二維圖象，經導線41輸出，每個圖象代表在一個特定的窄頻帶中接收到的輻射。
在Fo～Fn的頻率範圍內的每個離散頻率上，從該場景11的每個片段發射的輻射的強度是通過適當壓縮每個相應片段的全部存貯數據來確定的。具體地說，對於每個窄頻帶而言，將由一個指定片段的所有掃描而測得的輻射強度值相加，再取平均值。由此得出的平均值是由該特定片段發射的輻射強度的準確測量值。這個數據壓縮程序在上述共同未決的、序號607、869的美國專利申請書中，已予詳述，它已作為本文的參考文獻。實際上，本程序就是該申請書所描述的扇形射束反向程序的一種復用形式，隨著所描述的程序重複n次，在預定的F0～Fn頻率範圍內的每個窄頻帶處理一次。
對於n個窄頻帶(即F0～Fn)中的每一個窄頻帶而言，當相應的扇形射束掃描該場景時，由該扇形射束與該場景11的相交而確定的圓錐狀截面16接收到的輻射構成一個稱為該場景的輪廓或投影的函數。假如該圓錐狀截面實際是一條直線，則該函數是該場景的雷登(Radon)變換，這對於本技術領域：
的那些熟煉的人來說是公知的。由於該圓錐狀截面並非直線，因此對雷登(Radon)變換必須稍加修正，以便在數據的數學處理中有用。如上所述，該修正的雷登(Radon)變換也在共同未決的專利申請書中已予詳述。
圖5示出了一個特定頻率(即F0)的一組圓錐狀截面在自旋式輻射測定儀(Spinrad)結構中全部相交於一個特定的場景片段P。如果所有的圓錐狀截面16的F0的輻射量的平均值較高，則可以推斷這些高值可歸因於位於該場景的這個片段中的相應的高強度輻射源造成的。同理，如果所有的這些相交的圓錐狀截面的平均值較低，則可以推斷在該片段接收到的F0輻射是低強度的。
應該了解，圖5中對於該場景片段P，相交的圓錐狀截面的數量較少，這僅是舉例說明用的。天線移動是可控的，以提供任何希望程度的解析度。例如，擺動可以擴大到40°範圍，增量為(1/3)°，轉動可以擴大到360°範圍，增量也是(1/3)°。這就使該場景的每個片段和每個窄頻帶能產生超過1000個相交的圓錐狀截面。
圖6示出了本發明的另一實施例，它還包括一付分開布置的第二個頻率擴散直線陣天線13，稱之為輻射測定綜合孔徑雪達(RADSAR)結構。兩付天線的扇形射束基本上成一直線，其間距大於兩天線的間距D，以使兩天線構成一個掃描該場景11′的幹涉儀。每個扇形射束有一個預定的幹涉儀波瓣場型，這是根據其頻率和兩天線間距D而確定的。來自兩天線的信號適當結合(如相乘)，以產生一組輪廓(Profile)(每個頻率一個)，代表著由該場景中預定的圓錐狀截面16′所發射的輻射與相應頻率的波瓣場型的乘積。
圖6的實施例與圖1～3的實施例在兩付天線可控地圍繞著一個垂直於天線軸和平行於被掃描的場景的軸(即Y軸)擺動的方面是相似的。然而本實施例天線不象圖1～3的實施例中天線沿正對該場景方向的軸的轉動，而是以幾種不同方式中任一種方式移動(move)，所有方式都對幹涉儀的扇形射束相對於該場景的平移(translate)起作用。
在本發明的幹涉儀實施例的一個例子中，在保持兩天線的固定間距D時，使兩天線13和13′沿垂直於兩天線軸和平行於該場景的一個軸(即圖6中的Y軸)相對於該場景11′平移。這後一種移動(movement)可以通過把二付天線安裝在一個或二個非靜止軌道的衛星上就會容易地實現。由於每一扇形射束都構成一個幹涉儀，由於它的響應作為一個角度方向的函數以預定方式改變，這種平移的移動可以用來分辨在一個特定時刻在接收信號的角度方向上的模糊點。象圖1～3的實施例一樣，用以處理本發明的這個實施例所積累的數據的適當程序在上述的共同未決的申請書中已予詳述。本程序是該申請書中描述的程序的一種復用形式，隨著所述的程序重複n次，對於每個窄頻帶處理一次。
在本發明的幹涉儀實施例的第二個例子中，兩付天線13和13′作這樣方式的移動，即可控地改變它們的沿垂直於該場景11′方向的一個軸的有效間隔。在這兩個例子中的一個裡，使兩天線一起繞平行於它們自己的軸的一個軸(即圖6中的X軸)轉動。在另一例中，兩天線被可控地相互接近或遠離(即沿圖6中的Y軸)地移動。在任一種情況下，在兩天線之間的可控變化的距離使每一扇形射束的幹涉儀場型發生變化，使積累的數據可以用來分辨在特定方向上天線檢出的任一輻射源的信號中的模糊點。另外，一個適合於壓縮數據並產生該場景的一組寄存圖象(每個頻率一個這種圖象)的程序在上述共同未決的申請書中提供了。該仿效的程序是該申請書中所述的一維孔徑綜合程序的一種復用形式，隨著所述的程序重複n次，每個窄頻帶處理一次。
由上可知，本發明提供了一種改進的輻射測定成象器，該成象器提供了一系列場景的寄存圖象，每個圖象對應於接收的特定的窄頻帶輻射場型。一個實施例(Spinrad結構)包括一付單一頻率擴散直線陣天線，根據一系列園錐狀扇形射束提供輸出信號，由於該天線可控地圍繞一個軸擺動和圍繞一個垂直軸轉動，使每一扇形射束與該場景的每一片段多次相交。在另一實施例(RADSAR結構)中，輻射測定成象器還包括第二付頻率擴散直線陣天線，它安排得與第一付天線分開並平行，以構成一個扇形射束幹涉儀。兩付天線的擺動，結合兩付天線的任一付的移動、兩付天線圍繞平行於天線軸的一個軸轉動或兩天線相互接近和遠離的移動提供足以產生寄存的圖象的數據。
雖然本發明參照這些優選的實施例已予詳述，但是本領域的那些熟煉的技術人員也會了解，在不違背本發明的前提下，還可作各種修改，因此本發明的範圍由以下權利要求
予以限定。
權利要求
1.一種輻射測定成象器，用以確定二維場景的頻譜，它包括；一付頻率擴散直線陣天線，該天線具有一個縱軸，並根據在一系列圓錐狀扇形射束中接收的輻射提供輸出信號，其中該扇形射束代表在一預定頻率範圍內擴展的特定頻率，並與一個二維場景交於一系列在空間上分開的圓錐狀截面中；擺動裝置，用以可控地使該直線陣天線圍繞線一個基本上垂直於該天線軸，並平行於該場景的擺動軸擺動，以使該空間上分開的圓錐狀截面以一種預定的方式掃描該場景，這樣，該輸出信號就包含代表由該場景的所有片段在該預定頻率範圍內接收的所有輻射的數據；數據存貯裝置，用以汲取和存貯在由該直線陣天線提供的輸出信號中所包含的數據；輔助移動裝置，用以可控地使該直線陣天線以另一方式移動，以分辨數據存貯裝置所存貯的數據中的模糊點；數據處理裝置，用以處理數據存貯器存貯的數據，以確定該場景的全部片段的頻譜。
2.如權利要求
1所述的輻射測定成象器，其中輔助移動裝置包括轉動裝置，用以可控地使該直線陣天線圍繞著一個既垂直於該天線軸和又垂直於該擺動軸的軸轉動;擺動裝置和轉動裝置互相合作，以使每一圓錐狀截面與該場景的每一片段多次相交。
3.如權利要求
2所述的輻射測定成象器，其中，轉動裝置使該直線陣天線基本上在360°範圍內轉動。
4.如權利要求
1所述的輻射測定成象器，還包括一付基本上與第一付直線陣天線相似的第二付頻率擴散直線陣天線，第一付直線陣性天線安排得相互分開和平行，以使它們構成一個掃描該場景的幹涉儀。
5.如權利要求
4所述的輻射測定成象器，其中輔助移動裝置包括一個用以將第一付和第二付直線陣天線相對於被掃描的該場景平移(translate)的裝置，該平移是在大致垂直於該天線的縱軸和平行於該場景方向上進行的。
6.如權利要求
4所述的輻射測定成象器，其中，輔助移動裝置包括一個用以可控地裝第一付和第二付直線陣天線圍繞著一個平行於兩天線的縱軸的軸轉動的裝置，以可控地改變沿垂直於該場景方向的軸上的兩天線之間的有效間距。
7.如權利要求
4所述的輻射測定成象器，其中，輔助移動裝置包括一個用以在兩天線保持平行關係時可控地將第一付和第二付直線陣天線相互接近和遠離移動的裝置，可控地改變在沿垂直於該場景方向的一個軸上的二天線之間的有效間距。
8.如權利要求
1所述的輻射測定成象器，其中，數據處理裝置採用修正的雷登(Radon)變換算法處理存貯器的數據。
9.如權利要求
1所述的輻射測定成象器，其中，數據處理裝置產生多個該場景的寄存圖象，每個圖象都是根據在預定的頻率範圍內的一個特定頻帶的存貯數據成象的。
10.輻射測定成象方法，用以確定一個二維場景的頻譜，它包括如下步驟提供一付具有縱軸的頻率擴散的直線陣天線，該天線根據接收的沿一系列圓錐狀扇形射束的輻射提供輸出信號，其中，該扇形射束代表在預定的頻率範圍內擴展的特定頻率與一個二維圖象交於一系列在空間上分開的圓錐狀截面內;可控地使該直線陣天線圍繞著一個大致垂直於該天線軸並平行於該場景的軸擺動，以使該空間上分開的圓錐狀截面以預定的方式掃描該場景，這樣，由該直線陣天線提供的輸出信號包含了代表從該場景的所有片段，在預定頻率範圍內接收全部輻射的數據;汲取和存貯由該直線陣天線提供的輸出信號內包含的數據;以其它方式可控地使該直線陣天線移動以分辨數據存貯裝置存貯的數據中的模糊點;在汲取和存貯的步驟中，處理存貯的數據，以確定該場景的所有片段的頻譜。
11.如權利要求
10所述的輻射測定成象方法，其中可控移動的步驟包括可控地使該直線陣天線圍繞著一個大致既垂直於該天線軸、又垂直於該擺動軸的軸的轉動的步驟;可控擺動步驟和可控轉動步驟互相合作，以使每一圓錐狀截面與該場景的每一片段多次相交。
12.如權利要求
11所述的輻射測定成象方法，其中可控轉動步驟使該直線陣天線大體上在360°範圍內轉動。
13.如權利要求
10所述的輻射測定成象方法，還包括提供一付基本上與第一付線性天線相似的第二付頻率擴散直線陣天線的步驟，第一和第二付直線陣天線安排得相互分開並平行，以使它們構成一個掃描該場景的幹涉儀。
14.如權利要求
13所述的輻射測定成象方法，其中可控移動步驟包括使第一和第二付直線陣天線相對於被掃描的場景平移的步驟，該平移是在基本上垂直於該天線縱軸和平行於該場景的方向上進行的。
15.如權利要求
13所述的輻射測定成象方法，其中可控移動的步驟包括可控地使第一和第二付直線陣天線圍繞著一個平行於兩天線的縱軸的軸轉動的步驟，以使沿垂直於該場景方向的一個軸上的兩天線之間有效間距可控地改變。
16.如權利要求
13所述的輻射測定成象方法，其中可控移動的步驟包括當兩天線保持平行關係時、可控地使第一和第二付直線陣天線相互接近和離開地移動的步驟，以使沿垂直於該場景的一個軸上的兩天線之間有效間距可控地改變。
17.如權利要求
10所述的輻射測定成象方法，其中處理步驟包括用修正的雷登(Radon)變換算法處理存貯數據的步驟。
18.如權利要求
10所述的輻射測定成象方法，其中處理步驟包括產生該場景的多個寄存圖象的步驟，每一圖象都是根據預定頻率範圍內的一個特定頻帶的存貯數據成象的。
專利摘要
提供每一圖象對應一特定窄頻帶輻射場型的一個場景的一系列寄存圖象。一實施例含有一副根據一系列圓錐狀扇形射束提供輸出信號的單一頻率擴散直線陣天線，該天線可控地繞軸擺動並繞垂直軸轉動，使每一扇形射束與該場景每一片段多次相交。另一實施例還含有一副與第一副天線平行的第二副頻率擴散直線陣天線構成扇形射束幹涉儀，兩天線擺動結合任一天線的平移和繞平行於兩天線軸的軸轉動或相互接近和離開的移動提供足以產生寄存圖象的數據。
文檔編號G01R29/08GK87104562SQ87104562
公開日1988年2月10日 申請日期1987年7月2日
發明者卡爾·A·威利 申請人:休斯航空公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan