一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法，包括：中心具有開孔的主反射鏡、分別位于主反射鏡兩側的饋源和副反射鏡、以及與饋源位于主反射鏡的同一側的賦型反射鏡和平面鏡；饋源發(fā)出的光線依次經過賦型反射鏡、平面鏡的反射，通過主反射鏡的開孔，再經過副反射鏡、主反射鏡的反射后出射；賦型反射鏡和平面鏡可同時繞主反射鏡的中心軸旋轉，以改變光線的出射場。本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法，通過繞主反射鏡的對稱軸整體旋轉具有更小尺寸的賦型反射鏡和平面鏡，使得出射方向繞主反射鏡的對稱軸整體旋轉，從而達到掃描的目的，大大減小了旋轉過程中的動量不守恒。
【專利說明】一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及毫米波與亞毫米波天線領域，特別涉及一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法。
【背景技術】
[0002]目前，毫米波與亞毫米波天線廣泛地應用于地球探測、大氣遙感、海事衛(wèi)星以及射電天文領域。在各領域毫米波與亞毫米波的探測系統(tǒng)中運用了大量的輻射系統(tǒng)，這些輻射系統(tǒng)中有一個關鍵子系統(tǒng)為天線系統(tǒng)。為實現高增益、窄波束天線，通常采用大尺寸的反射鏡天線。傳統(tǒng)的反射鏡天線主要有拋物面天線以及卡賽格倫天線。這些傳統(tǒng)的反射鏡天線的出射方向是確定的。因此，對于一些要求進行掃描的探測系統(tǒng)，通常通過機械控制來移動整個天線系統(tǒng)來實現，或者通過移動衛(wèi)星本身來實現。這些機械控制系統(tǒng)的缺點很明顯，原因是要移動整個大尺寸的反射鏡天線或者整個衛(wèi)星系統(tǒng)，要引入復雜的機電系統(tǒng)。同時，移動整個大尺寸的反射鏡天線或者整個衛(wèi)星系統(tǒng)會引起衛(wèi)星系統(tǒng)(或探測系統(tǒng))的動量不平衡，從而引起衛(wèi)星系統(tǒng)(或探測系統(tǒng))偏移運行軌道。
[0003]因此，有必要對天線系統(tǒng)的設計進行重新考慮，使得對探測區(qū)域的掃描不需要移動整個天線系統(tǒng)或者整個衛(wèi)星系統(tǒng)，而是移動天線系統(tǒng)的相對小的子系統(tǒng)或者子器件便能實現對探測區(qū)域的掃描。進一步說，就是要通過引入算法對天線進行設計，從而減輕單純機械控制掃描的復雜性，克服單純機械控制掃描的缺點。這種算法實現了對反射鏡面的數值定義，因而稱為賦形面算法，得出的反射鏡稱為賦形面。
[0004]目前已有的賦形面算法中主要是通過在已有的標準天線形面為起點，逐漸改變天線的形面，使得天線達到高增益、高效率的性能。或者，完成通過數值定義來實現反射鏡的賦形。但這一類賦形面算法中，仍然沒有解決單純機械控制掃描的復雜性的問題。盡管有算法能夠實現卡賽格倫天線的副反射鏡面的賦形，并利用旋轉副反射鏡面來實現掃描，還在一定的程度上減輕了機械掃描的動量不平衡問題，但這種方法同時引來了新的問題。因為副反射鏡的固定是一個難題。要實現旋轉狀態(tài)下的副反射鏡的機械精度是一個比較大的挑戰(zhàn)。另外，卡賽格倫天線的副反射鏡的尺寸仍然比較大，動量不平衡仍然可能存在。
[0005]由此可見，目前的賦形面算法中，大部分并不適用于解決單純機械控制掃描所帶來的問題。而通過卡賽格倫天線的副反射鏡面賦形的算法，仍然沒有完全解決單純機械控制掃描所帶來的問題，甚至還帶來的新的問題。因此，要解決該問題，必須引入新的賦形面算法。
【發(fā)明內容】
[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)及其設計方法，通過繞主反射鏡的對稱軸整體旋轉具有更小尺寸的賦型反射鏡和平面鏡，使得出射方向繞主反射鏡的對稱軸整體旋轉，從而達到掃描的目的，大大減小了旋轉過程中的動量不守恒。
[0007]本發(fā)明提供的一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，包括:中心具有開孔的主反射鏡、分別位于主反射鏡兩側的饋源和副反射鏡、以及與饋源位于主反射鏡的同一側的賦型反射鏡和平面鏡；
[0008]饋源發(fā)出的光線依次經過賦型反射鏡、平面鏡的反射，通過主反射鏡的開孔，再經過副反射鏡、主反射鏡的反射后出射；
[0009]所述賦型反射鏡和平面鏡可同時繞主反射鏡的中心軸旋轉，以改變光線的出射場。
[0010]優(yōu)選地，所述主反射鏡為中心具有開孔的拋物面鏡面，副反射鏡為雙曲反射面鏡面。
[0011]優(yōu)選地，所述賦型反射鏡的中心位于所述主反射鏡的中心軸上。
[0012]本發(fā)明還提供了一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，包括如下步驟:
[0013]確定所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數；
[0014]確定所述賦型反射鏡的光心點的參數，并根據該光心點的參數、以及所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數確定經過各反射鏡光心的光線從饋源至主反射鏡的總光程；
[0015]根據總光程確定所述賦型反射鏡的全部參數。
[0016]優(yōu)選地，所述確定所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數包括:
[0017]根據主反射鏡的形狀確定主反射鏡的表面參數，根據副反射鏡的形狀確定副反射鏡的表面參數，確定饋源的位置、出射角度和出射平面，確定平面鏡的表面參數和法向向量。
[0018]優(yōu)選地，所述確定所述賦型反射鏡的光心點的參數，并根據該光心點的參數、以及所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數確定光線從饋源至主反射鏡的總光程包括:
[0019]離散化處理所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數，
[0020]分別確定自出射平面至主反射鏡的光心點的距離、自主反射鏡的光心點至副反射鏡的距離、自副反射鏡至平面鏡的距離、自平面鏡至賦型反射鏡的光心點的距離、以及自饋源至賦型反射鏡的光心點的距離，各距離的總和為光線從饋源至主反射鏡的總光程。
[0021]優(yōu)選地，所述根據總光程確定所述賦型反射鏡的全部參數包括:
[0022]分別確定經過主反射鏡的任一點反射的光線自出射平面至主反射鏡該點處的距離、自主反射鏡的該點處至副反射鏡的距離、自副反射鏡至平面鏡的距離、自饋源至賦型反射鏡的距離，
[0023]以總光程減去以上各距離，得到賦型反射鏡至平面鏡的距離，以確定賦型反射鏡的全部參數。
[0024]優(yōu)選地，所述得到賦型反射鏡至平面鏡的距離，以確定賦型反射鏡的全部參數包括:
[0025]以滿足所述離散化處理的參數迭代處理所述賦型反射鏡至平面鏡的距離，得到賦型反射鏡的全部參數。
[0026]由以上技術方案可知，本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)將現有的通過移動整個天線系統(tǒng)或是移動大尺寸的反射鏡面來實現天線掃描的方式轉換為移動更小尺寸的賦型反射鏡和平面鏡，由于賦型反射鏡和平面鏡的尺寸遠小于主反射鏡和副反射鏡的尺寸，因此能夠大大減小天線整體掃描帶來的功耗和產生的動量不平衡的問題。進一步地，由于賦型反射鏡和平面鏡更接近饋源，其旋轉和移動較小的角度和位移后，光線經過主反射鏡和副反射鏡的反射后，其出射場可以產生一個較大角度和位移，不僅能夠減小掃描的功耗，而且使天線系統(tǒng)的動力設計和機械設計更加方便。同時，相比于旋轉移動較大尺寸的副反射鏡來說，移動較小尺寸的賦型反射鏡和平面鏡，使得天線系統(tǒng)的機械精度更高。
[0027]根據以上的方法設計的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，使得出射光線的總光程相同，同時使得出射光線的出射方向一致，使用該方法得到的天線探測系統(tǒng)能夠調整出射角度，使得天線的最大輻射方向與天線的準直方向形成一個角度，并通過旋轉賦型反射鏡和平面鏡達到天線掃描的功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的結構示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法的流程圖；
[0030]圖3為圖1中饋源、平面鏡及賦型反射鏡的局部放大示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的旋轉掃描示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0034]本發(fā)明提供一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，如圖1所示，該天線探測系統(tǒng)包括:中心具有開孔21的主反射鏡20、分別位于主反射鏡20的鏡面兩側的饋源10和副反射鏡30、以及與饋源10位于主反射鏡20的同一側的賦型反射鏡40和平面鏡50。
[0035]饋源10發(fā)出的光線依次經過賦型反射鏡40、平面鏡50的反射，通過主反射鏡20的開孔21，再經過副反射鏡30、主反射鏡20的反射后出射。
[0036]賦型反射鏡40的中心位于主反射鏡20的中心軸上，賦型反射鏡40和平面鏡50可整體繞主反射鏡20的中心軸旋轉，以改變光線的出射場，實現天線掃描的目的。
[0037]其中，主反射鏡20可以是任何軸對稱的反射面，優(yōu)選地，其為拋物反射面。副反射鏡30是軸對稱的雙曲反射鏡面。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)將現有的通過移動整個天線系統(tǒng)或是移動大尺寸的反射鏡面來實現天線掃描的方式轉換為移動更小尺寸的賦型反射鏡40和平面鏡50，由于賦型反射鏡40和平面鏡50的尺寸遠小于主反射鏡20和副反射鏡30的尺寸，因此能夠大大減小天線整體掃描帶來的功耗和產生的動量不平衡的問題。進一步地，由于賦型反射鏡40和平面鏡50更接近饋源10，其旋轉和移動較小的角度和位移后，光線經過主反射鏡20和副反射鏡30的反射后，其出射場可以產生一個較大角度和位移，不僅能夠減小掃描的功耗，而且使天線系統(tǒng)的動力設計和機械設計更加方便。同時，相比于旋轉移動較大尺寸的副反射鏡來說，移動較小尺寸的賦型反射鏡40和平面鏡50，使得天線系統(tǒng)的機械精度更高。
[0039]為了得到如圖1所示的本發(fā)明的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法。對于一個卡塞格倫天線探測系統(tǒng)來說，其主反射鏡20、副反射鏡30、平面鏡50的幾何形狀是確定的，因此該設計方法的主要目的是確定賦型反射鏡40的幾何形狀和位置。
[0040]本設計方法利用等光程的原理，即保證從饋源10發(fā)出的光線依次經過四個反射鏡后到達口徑面(光線出射平面60)的光線是平行的、同時還是等光程的。由于出射光線相互平行且等光程，因此出射光線的相位是相同的。
[0041 ] 如圖2所示，該方法包括:
[0042]步驟100:確定主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數；
[0043]步驟200:確定賦型反射鏡的光心點的參數，并根據該光心點的參數、以及主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數確定經過各反射鏡光心的光線從饋源至主反射鏡的總光程；
[0044]步驟300:根據總光程確定所述賦型反射鏡的全部參數。
[0045]具體地，參照圖1和圖3所示的位置，步驟100包括:
[0046]步驟101:確定主反射鏡20的表面參數。在此處，以主反射鏡20為拋物反射鏡為例，其表達式為
[0047]
【權利要求】
1.一種卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，其特征在于，包括:中心具有開孔的主反射鏡、分別位于主反射鏡兩側的饋源和副反射鏡、以及與饋源位于主反射鏡的同一側的賦型反射鏡和平面鏡；饋源發(fā)出的光線依次經過賦型反射鏡、平面鏡的反射，通過主反射鏡的開孔，再經過副反射鏡、主反射鏡的反射后出射；所述賦型反射鏡和平面鏡可同時繞主反射鏡的中心軸旋轉，以改變光線的出射場。
2.根據權利要求1所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，其特征在于，所述主反射鏡為中心具有開孔的拋物面鏡面，副反射鏡為雙曲反射面鏡面。
3.根據權利要求1所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)，其特征在于，所述賦型反射鏡的中心位于所述主反射鏡的中心軸上。
4.一種如權利要求1的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，包括如下步驟:確定所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數；確定所述賦型反射鏡的光心點的參數，并根據該光心點的參數、以及所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數確定經過各反射鏡光心的光線從饋源至主反射鏡的總光程;根據總光程確定所述賦型反射鏡的全部參數。
5.根據權利要求4所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述確定所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數包括:根據主反射鏡的形狀確定主反射鏡的表面參數，根據副反射鏡的形狀確定副反射鏡的表面參數，確定饋源的位置、出射角度和出射平面，確定平面鏡的表面參數和法向向量。
6.根據權利要求4所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述確定所述賦型反射鏡的光心點的參數，并根據該光心點的參數、以及所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數確定光線從饋源至主反射鏡的總光程包括:離散化處理所述主反射鏡、饋源、副反射鏡、平面鏡的全部參數，分別確定自出射平面至主反射鏡的光心點的距離、自主反射鏡的光心點至副反射鏡的距離、自副反射鏡至平面鏡的距離、自平面鏡至賦型反射鏡的光心點的距離、以及自饋源至賦型反射鏡的光心點的距離，各距離的總和為光線從饋源至主反射鏡的總光程。
7.根據權利要求6所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述根據總光程確定所述賦型反射鏡的全部參數包括:分別確定經過主反射鏡的任一點反射的光線自出射平面至主反射鏡該點處的距離、自主反射鏡的該點處至副反射鏡的距離、自副反射鏡至平面鏡的距離、自饋源至賦型反射鏡的距離，以總光程減去以上各距離，得到賦型反射鏡至平面鏡的距離，以確定賦型反射鏡的全部參數。
8.根據權利要求7所述的卡塞格倫天線探測系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述得到賦型反射鏡至平面鏡的距離，以確定賦型反射鏡的全部參數包括:以滿足所述離散化處理的參數迭代處理所述賦型反射鏡至平面鏡的距離，得到賦型反射鏡的全部參數。
【文檔編號】H01Q19/19GK103746187SQ201310717135
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】劉小明, 俞俊生, 陳曉東 申請人:北京郵電大學