一种卡塞格伦天线探测系统及其设计方法

摘要

本发明提供的一种卡塞格伦天线探测系统及其设计方法，包括：中心具有开孔的主反射镜、分别位于主反射镜两侧的馈源和副反射镜、以及与馈源位于主反射镜的同一侧的赋型反射镜和平面镜；馈源发出的光线依次经过赋型反射镜、平面镜的反射，通过主反射镜的开孔，再经过副反射镜、主反射镜的反射后出射；赋型反射镜和平面镜可同时绕主反射镜的中心轴旋转，以改变光线的出射场。本发明的卡塞格伦天线探测系统及其设计方法，通过绕主反射镜的对称轴整体旋转具有更小尺寸的赋型反射镜和平面镜，使得出射方向绕主反射镜的对称轴整体旋转，从而达到扫描的目的，大大减小了旋转过程中的动量不守恒。

权利要求

1.一种卡塞格伦天线探测系统，其特征在于，包括：中心具有开孔的主反射镜、分别位于主反射镜两侧的馈源和副反射镜、以及与馈源位于主反射镜的同一侧的赋型反射镜和平面镜；

馈源发出的光线依次经过赋型反射镜、平面镜的反射，通过主反射镜的开孔，再经过副反射镜、主反射镜的反射后出射；

所述赋型反射镜和平面镜可同时绕主反射镜的中心轴旋转，以改变光线的出射场；

所述赋型反射镜的中心位于所述主反射镜的中心轴上。

2.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线探测系统，其特征在于，所述主反射镜为中心具有开孔的抛物面镜面，副反射镜为双曲反射面镜面。

3.一种如权利要求1的卡塞格伦天线探测系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：确定所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数；

确定所述赋型反射镜的光心点的参数，并根据该光心点的参数、以及所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数确定经过各反射镜光心的光线从馈源至主反射镜的总光程；

根据总光程确定所述赋型反射镜的全部参数。

4.根据权利要求3所述的卡塞格伦天线探测系统的设计方法，其特征在于，所述确定所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数包括：根据主反射镜的形状确定主反射镜的表面参数，根据副反射镜的形状确定副反射镜的表面参数，确定馈源的位置、出射角度和出射平面，确定平面镜的表面参数和法向向量。

5.根据权利要求3所述的卡塞格伦天线探测系统的设计方法，其特征在于，所述确定所述赋型反射镜的光心点的参数，并根据该光心点的参数、以及所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数确定光线从馈源至主反射镜的总光程包括：离散化处理所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数，分别确定自出射平面至主反射镜的光心点的距离、自主反射镜的光心点至副反射镜的距离、自副反射镜至平面镜的距离、自平面镜至赋型反射镜的光心点的距离、以及自馈源至赋型反射镜的光心点的距离，各距离的总和为光线从馈源至主反射镜的总光程。

6.根据权利要求5所述的卡塞格伦天线探测系统的设计方法，其特征在于，所述根据总光程确定所述赋型反射镜的全部参数包括：分别确定经过主反射镜的任一点反射的光线自出射平面至主反射镜该点处的距离、自主反射镜的该点处至副反射镜的距离、自副反射镜至平面镜的距离、自馈源至赋型反射镜的距离，以总光程减去以上各距离，得到赋型反射镜至平面镜的距离，以确定赋型反射镜的全部参数。

7.根据权利要求6所述的卡塞格伦天线探测系统的设计方法，其特征在于，所述得到赋型反射镜至平面镜的距离，以确定赋型反射镜的全部参数包括：以满足所述离散化处理的参数迭代处理所述赋型反射镜至平面镜的距离，得到赋型反射镜的全部参数。

说明书

一种卡塞格伦天线探测系统及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及毫米波与亚毫米波天线领域，特别涉及一种卡塞格伦天线探测系统及其设计方法。

背景技术

[0002] 目前，毫米波与亚毫米波天线广泛地应用于地球探测、大气遥感、海事卫星以及射电天文领域。在各领域毫米波与亚毫米波的探测系统中运用了大量的辐射系统，这些辐射系统中有一个关键子系统为天线系统。为实现高增益、窄波束天线，通常采用大尺寸的反射镜天线。传统的反射镜天线主要有抛物面天线以及卡赛格伦天线。这些传统的反射镜天线的出射方向是确定的。因此，对于一些要求进行扫描的探测系统，通常通过机械控制来移动整个天线系统来实现，或者通过移动卫星本身来实现。这些机械控制系统的缺点很明显，原因是要移动整个大尺寸的反射镜天线或者整个卫星系统，要引入复杂的机电系统。同时，移动整个大尺寸的反射镜天线或者整个卫星系统会引起卫星系统（或探测系统）的动量不平衡，从而引起卫星系统（或探测系统）偏移运行轨道。

[0003] 因此，有必要对天线系统的设计进行重新考虑，使得对探测区域的扫描不需要移动整个天线系统或者整个卫星系统，而是移动天线系统的相对小的子系统或者子器件便能实现对探测区域的扫描。进一步说，就是要通过引入算法对天线进行设计，从而减轻单纯机械控制扫描的复杂性，克服单纯机械控制扫描的缺点。这种算法实现了对反射镜面的数值定义，因而称为赋形面算法，得出的反射镜称为赋形面。

[0004] 目前已有的赋形面算法中主要是通过在已有的标准天线形面为起点，逐渐改变天线的形面，使得天线达到高增益、高效率的性能。或者，完成通过数值定义来实现反射镜的赋形。但这一类赋形面算法中，仍然没有解决单纯机械控制扫描的复杂性的问题。尽管有算法能够实现卡赛格伦天线的副反射镜面的赋形，并利用旋转副反射镜面来实现扫描，还在一定的程度上减轻了机械扫描的动量不平衡问题，但这种方法同时引来了新的问题。因为副反射镜的固定是一个难题。要实现旋转状态下的副反射镜的机械精度是一个比较大的挑战。另外，卡赛格伦天线的副反射镜的尺寸仍然比较大，动量不平衡仍然可能存在。

[0005] 由此可见，目前的赋形面算法中，大部分并不适用于解决单纯机械控制扫描所带来的问题。而通过卡赛格伦天线的副反射镜面赋形的算法，仍然没有完全解决单纯机械控制扫描所带来的问题，甚至还带来的新的问题。因此，要解决该问题，必须引入新的赋形面算法。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种卡塞格伦天线探测系统及其设计方法，通过绕主反射镜的对称轴整体旋转具有更小尺寸的赋型反射镜和平面镜，使得出射方向绕主反射镜的对称轴整体旋转，从而达到扫描的目的，大大减小了旋转过程中的动量不守恒。

[0007] 本发明提供的一种卡塞格伦天线探测系统，包括：中心具有开孔的主反射镜、分别位于主反射镜两侧的馈源和副反射镜、以及与馈源位于主反射镜的同一侧的赋型反射镜和平面镜；

[0008] 馈源发出的光线依次经过赋型反射镜、平面镜的反射，通过主反射镜的开孔，再经过副反射镜、主反射镜的反射后出射；

[0009] 所述赋型反射镜和平面镜可同时绕主反射镜的中心轴旋转，以改变光线的出射场。

[0010] 优选地，所述主反射镜为中心具有开孔的抛物面镜面，副反射镜为双曲反射面镜面。

[0011] 优选地，所述赋型反射镜的中心位于所述主反射镜的中心轴上。

[0012] 本发明还提供了一种卡塞格伦天线探测系统的设计方法，包括如下步骤：

[0013] 确定所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数；

[0014] 确定所述赋型反射镜的光心点的参数，并根据该光心点的参数、以及所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数确定经过各反射镜光心的光线从馈源至主反射镜的总光程；

[0015] 根据总光程确定所述赋型反射镜的全部参数。

[0016] 优选地，所述确定所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数包括：

[0017] 根据主反射镜的形状确定主反射镜的表面参数，根据副反射镜的形状确定副反射镜的表面参数，确定馈源的位置、出射角度和出射平面，确定平面镜的表面参数和法向向量。

[0018] 优选地，所述确定所述赋型反射镜的光心点的参数，并根据该光心点的参数、以及所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数确定光线从馈源至主反射镜的总光程包括：

[0019] 离散化处理所述主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数，[0020] 分别确定自出射平面至主反射镜的光心点的距离、自主反射镜的光心点至副反射镜的距离、自副反射镜至平面镜的距离、自平面镜至赋型反射镜的光心点的距离、以及自馈源至赋型反射镜的光心点的距离，各距离的总和为光线从馈源至主反射镜的总光程。

[0021] 优选地，所述根据总光程确定所述赋型反射镜的全部参数包括：

[0022] 分别确定经过主反射镜的任一点反射的光线自出射平面至主反射镜该点处的距离、自主反射镜的该点处至副反射镜的距离、自副反射镜至平面镜的距离、自馈源至赋型反射镜的距离，

[0023] 以总光程减去以上各距离，得到赋型反射镜至平面镜的距离，以确定赋型反射镜的全部参数。

[0024] 优选地，所述得到赋型反射镜至平面镜的距离，以确定赋型反射镜的全部参数包括：

[0025] 以满足所述离散化处理的参数迭代处理所述赋型反射镜至平面镜的距离，得到赋型反射镜的全部参数。

[0026] 由以上技术方案可知，本发明的卡塞格伦天线探测系统将现有的通过移动整个天线系统或是移动大尺寸的反射镜面来实现天线扫描的方式转换为移动更小尺寸的赋型反射镜和平面镜，由于赋型反射镜和平面镜的尺寸远小于主反射镜和副反射镜的尺寸，因此能够大大减小天线整体扫描带来的功耗和产生的动量不平衡的问题。进一步地，由于赋型反射镜和平面镜更接近馈源，其旋转和移动较小的角度和位移后，光线经过主反射镜和副反射镜的反射后，其出射场可以产生一个较大角度和位移，不仅能够减小扫描的功耗，而且使天线系统的动力设计和机械设计更加方便。同时，相比于旋转移动较大尺寸的副反射镜来说，移动较小尺寸的赋型反射镜和平面镜，使得天线系统的机械精度更高。

[0027] 根据以上的方法设计的卡塞格伦天线探测系统，使得出射光线的总光程相同，同时使得出射光线的出射方向一致，使用该方法得到的天线探测系统能够调整出射角度，使得天线的最大辐射方向与天线的准直方向形成一个角度，并通过旋转赋型反射镜和平面镜达到天线扫描的功能。

附图说明

[0028] 图1为本发明的卡塞格伦天线探测系统的结构示意图；

[0029] 图2为本发明的卡塞格伦天线探测系统的设计方法的流程图；

[0030] 图3为图1中馈源、平面镜及赋型反射镜的局部放大示意图；

[0031] 图4为本发明的卡塞格伦天线探测系统的旋转扫描示意图；

[0032] 图5为本发明的卡塞格伦天线探测系统的仿真结果图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

[0034] 本发明提供一种卡塞格伦天线探测系统，如图1所示，该天线探测系统包括：中心具有开孔21的主反射镜20、分别位于主反射镜20的镜面两侧的馈源10和副反射镜30、以及与馈源10位于主反射镜20的同一侧的赋型反射镜40和平面镜50。

[0035] 馈源10发出的光线依次经过赋型反射镜40、平面镜50的反射，通过主反射镜20的开孔21，再经过副反射镜30、主反射镜20的反射后出射。

[0036] 赋型反射镜40的中心位于主反射镜20的中心轴上，赋型反射镜40和平面镜50可整体绕主反射镜20的中心轴旋转，以改变光线的出射场，实现天线扫描的目的。

[0037] 其中，主反射镜20可以是任何轴对称的反射面，优选地，其为抛物反射面。副反射镜30是轴对称的双曲反射镜面。

[0038] 如图1所示，本发明的卡塞格伦天线探测系统将现有的通过移动整个天线系统或是移动大尺寸的反射镜面来实现天线扫描的方式转换为移动更小尺寸的赋型反射镜40和平面镜50，由于赋型反射镜40和平面镜50的尺寸远小于主反射镜20和副反射镜30的尺寸，因此能够大大减小天线整体扫描带来的功耗和产生的动量不平衡的问题。进一步地，由于赋型反射镜40和平面镜50更接近馈源10，其旋转和移动较小的角度和位移后，光线经过主反射镜20和副反射镜30的反射后，其出射场可以产生一个较大角度和位移，不仅能够减小扫描的功耗，而且使天线系统的动力设计和机械设计更加方便。同时，相比于旋转移动较大尺寸的副反射镜来说，移动较小尺寸的赋型反射镜40和平面镜50，使得天线系统的机械精度更高。

[0039] 为了得到如图1所示的本发明的卡塞格伦天线探测系统，本发明还提供了一种卡塞格伦天线探测系统的设计方法。对于一个卡塞格伦天线探测系统来说，其主反射镜20、副反射镜30、平面镜50的几何形状是确定的，因此该设计方法的主要目的是确定赋型反射镜40的几何形状和位置。

[0040] 本设计方法利用等光程的原理，即保证从馈源10发出的光线依次经过四个反射镜后到达口径面（光线出射平面60）的光线是平行的、同时还是等光程的。由于出射光线相互平行且等光程，因此出射光线的相位是相同的。

[0041] 如图2所示，该方法包括：

[0042] 步骤100：确定主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数；

[0043] 步骤200：确定赋型反射镜的光心点的参数，并根据该光心点的参数、以及主反射镜、馈源、副反射镜、平面镜的全部参数确定经过各反射镜光心的光线从馈源至主反射镜的总光程；

[0044] 步骤300：根据总光程确定所述赋型反射镜的全部参数。

[0045] 具体地，参照图1和图3所示的位置，步骤100包括：

[0046] 步骤101：确定主反射镜20的表面参数。在此处，以主反射镜20为抛物反射镜为例，其表达式为

[0047]

[0048] 其中，f为抛物面的焦矩。主反射镜面20的口径直径为D，中间开孔21的口径直径为d。抛物面的光心所在位置为 主反射镜的光心定义为抛物面的几何中心。

[0049] 步骤102：确定副反射镜30的表面参数。其表达式为

[0050]

[0051] 其中，副反射镜30的口径直径为Ds。副反射镜30的光心所在位置为副反射镜30的光心定义为副反射镜的几何中心。其中，a、b分别为双曲面的长、短轴，z0为双曲面两支的中心点。

[0052] 步骤103：确定平面镜的表面参数和法向向量。其表达式为

[0053]

[0054] 其中， 为平面镜的参考点位置（或初始点位置），而 为平面镜的法向向量。平面镜的位置由 确定，摆放方式由 确定。

[0055] 步骤104：确定馈源的位置 和出射角度θ0。

[0056] 确定馈源的出射角度即确定了出射光线方向 和出射平面（图1中所示口径面）。出射光线方向与出射角度的关系可以表示为

[0057]

[0058] 出射平面可定义为

[0059]

[0060] 步骤200包括：

[0061] 步骤201：将主反射镜面离散化表示。

[0062] 其中，离散化的方式是将主反射镜20上的点用极坐标表示：

[0063]

[0064] 其中，Δρ,Δφ分别为对应于极坐标下半径和角度方向上的步进量，而m,n则分别是这两个方向的序列标号，m,n均为正整数。另外，可以将主反射镜面上的点用直角坐标表示：

[0065]

[0066] 而其与极坐标离散点的关系可以表示为

[0067]

[0068] 其中，d为主反射镜20的中间开孔21的口径大小。同时要求：

[0069]

[0070] 公式（9）中的这几个条件主要是为了控制两个相邻的离散点之间的距离，以使以离散化表示的方式能够真实反应主反射面表面的形态，于是则可获得Δφ,m,n的范围：

[0071]

[0072] 步骤202：以通过各反射镜光心的光线计算总光程。

[0073] 通过各反射镜光心的光线的总光程包括：i）从出射平面至主反射镜的光心点的距离（该距离为主反射镜的焦距f）、ii）自主反射镜的光心点至副反射镜的距离t0ms、iii）自副反射镜至平面镜的距离t0sp、iv）自平面镜至赋型反射镜的光心点的距离t0psp、以及v）自馈源至赋型反射镜的光心点的距离t0spf。

[0074] i）其中，定义主反射镜20的光心的坐标为 则主反射镜光心处的单位法向向量为

[0075] ii）通过反推的方式，从出射平面入射的光线经主反射镜光心反射后的反射光线为：

[0076]

[0077] 然后确定副反射镜面上的点，它是反射光线 与副反射镜面的交点。交点可由解反射光线 与副反射镜面的方程组得出。副反射镜方程已由公式（2）给出。反射光线上任意一点的参数方程可表示为

[0078]

[0079] 其中，t0ms为主反射镜光心到副反射镜的距离， 为反射光线 与副反射镜的交点。由式（2）和式（12）可以求得t0ms。

[0080] iii）确定副反射镜 点处的单位法向向量 和经副反射镜反射的反射光线的单位向量 法向向量可以表示为

[0081]

[0082] 而其单位法向向量可表示为 则反射光线的单位向量 可以表示为[0083]

[0084] 确定反射光线 与平面镜的交点 平面镜的表达式已由公式（3）给出。而反射光线 的参数表达式可以表示为

[0085]

[0086] 其中，t0sp为副反射镜上的点 到平面镜的距离， 为反射光线 与平面镜的交点。

[0087] iv）然后，确定平面镜处 的反射光线 由于平面镜的单位法向向量 已确定，则 可表示为

[0088]

[0089] 确定赋型反射镜的光心点 赋形面的光心点 定义为 与Z轴的交点。可由下式得到

[0090]

[0091] 上式中令x0sp,y0sp等于零，则可得到t0psp和z0sp。其中，t0psp为平面镜上的点到赋型反射镜的光心点 的距离。

[0092] v）确定馈源到口径面的总光程。首先馈源至赋形面的光心点 的光程由下式给出

[0093]

[0094] 则馈源到口径面的总光程为

[0095] T=t0spf+t0psp+t0sp+t0ms+f (19)

[0096] 步骤300包括：

[0097] 步骤301：分别确定经过主反射镜的任一点反射的光线自出射平面至主反射镜该点处的距离、自主反射镜的该点处至副反射镜的距离、自副反射镜至平面镜的距离、自馈源至赋型反射镜的距离。

[0098] （1）选取主反射镜上任意一点

[0099] （2）确定该点处的单位法向向量

[0100]

[0101] （3）从出射平面入射的光线经主反射镜反射后的反射光线 为：

[0102]

[0103] （4）计算该点到出射平面的距离tam。该点与出射平面的交点可由点到平面的距离公式求出。出射平面的公式已由式(5)给出。

[0104] （5）确定副反射镜面上的点，它是反射光线 与副反射镜面的交点。交点可由解反射光线 与副反射镜面的方程组。副反射面方程已由式（2）给出。反射光线上任意一点的参数方程可表示为

[0105]

[0106] 其中tms为主反射面光心到副反射面的距离， 为反射光线与副反射面的交点。由式（2）和式（22）可以求得。

[0107] （6）确定副反射面 点处的单位法向向量 和经副反射面反射的反射光线的单位向量 法向向量可以表示为

[0108]

[0109] 而其单位法向向量可表示为 则反射光线的单位向量 可以表示为[0110]

[0111] （7）求反射光线 与平面镜的交点 平面镜的表达式已由公式（3）给出。而反射光线 的参数表达式可以表示为

[0112]

[0113] 其中tsp为副反射面上的点 到平面镜的距离， 为反射光线 与平面镜的交点。

[0114] (8）确定平面镜处 的反射光线 由于平面镜的单位法向向量 已确定，则 可表示为

[0115]

[0116] （9）确定赋型反射镜上的点。由于赋型反射镜上的点一定也处于反射光线上，所以赋型反射镜上的点可以由下式表示

[0117]

[0118] 馈源至赋形面的点 的光程由下式给出

[0119]

[0120] 所有光线到口径面的总光程要相等，由此

[0121] T=tspf+tpsp+tsp+tms+tam (29)

[0122] 由此式可求得参量tpsp。将此参量代入公式（27），便可得到赋型反射镜上的点。

[0123] 步骤302：以满足所述离散化处理的参数迭代处理所述赋型反射镜至平面镜的距离，得到赋型反射镜的全部参数。

[0124] 通过穷尽符合公式（10）条件的所有m,n,并重复步骤301则可设计出赋形反射镜的全部参数。

[0125] 根据以上的方法设计的卡塞格伦天线探测系统，使得出射光线的总光程相同，同时使得出射光线的出射方向一致，使用该方法得到的天线探测系统能够调整出射角度，使得天线的最大辐射方向与天线的准直方向形成一个角度，并通过旋转赋型反射镜和平面镜达到天线扫描的功能。图4为本发明的卡塞格伦天线探测系统的旋转扫描示意图。如图4所示，通过绕Z轴（主反射镜的中心轴）旋转赋型反射镜和平面镜可以实现探测扫描。图4上方的每一个黑斑可以代表一个扫描位置，实际上就是代表一个扫描点，相当于地球探测遥感中的一个像素。因此，这种扫描方式与之前转动整个天线系统相比，大大减小了机械动量。

[0126] 为进一步说明本发明所提供的天线探测系统的设计方法的有效性以及所得到的卡塞格伦天线探测系统的性能，以下列举一个根据本发明的设计方法所得到的天线探测系统的具体参数。

[0127] 表1卡塞格伦天线探测系统具体实施例的参数表

[0128]

[0129] 由本方法所得到的赋型反射镜面是由数值定义的，其数值坐标格式如表2所示。出于篇幅考虑在这里，赋形副反射镜的坐标并未完全列出。总共181乘以1137个点，亦即
205797个点。

[0130] 其仿真结果如图5所示。从结果图可以看出，天线远场的最大辐射方向为。由此可见，出射方向与Z轴的夹角为 与设计完全相同。另外，由于天线的主、副反射镜都是关于Z轴对称的，所以旋转平面镜以及赋型反射镜，就能使出射方向绕Z轴旋转，也就是出射方向与Z轴的夹角 不变，但只是方向角 在变，从而达到了扫描的目的。

[0131] 表2赋型反射镜面数值坐标格式示例

[0132]m n x y z
1 1 0.000000 0.000000 -0.075667
1 2 -0.000212 0.000000 -0.075862
1 3 -0.000114 -0.000165 -0.075772
1 4 0.000089 -0.000178 -0.075586
1 5 0.000210 -0.000028 -0.075475
1 6 0.000139 0.000148 -0.075540
2 1 -0.000060 0.000188 -0.075722
2 2 -0.000204 0.000055 -0.075854
2 3 -0.000424 0.000000 -0.076056
... ... ... ... ...
181 1137 -0.030436 0.000054 -0.113342

[0133] 由上述实施例可见，本发明的设计方法所得到的赋型反射镜的尺寸（直径）只有0.1米左右，相对于直径为3.6米的主反射镜面和直径为0.4米的副反射镜而言，其尺寸大大减小，而其质量的减小就更大（质量的减小大概是尺寸减小倍数的平方关系，亦即尺寸减小2倍，质量减小4倍）。所以，总体而言，由旋转赋形副反射镜和平面镜所产生的动量大大小于旋转整个天线系统的动量，也大大小于旋转副反射镜的动量。另外，扫描角度的大小是可以能过设计来改变的，由此适应了不同的扫描角度的应用要求。

[0134] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。