准光系统中椭球面反射镜面截取方法

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1、2015年5月第4l卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2015Vol_4lNo．5http：÷}bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0322准光系统中椭球面反射镜面截取方法刘大伟+，吴正勋，吴铮，刘凯(北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191)摘要：为了改善准光学馈电网络在气象卫星中的应用效果，提出

2、了一种应用于准光学馈电网络中新的椭球镜面截取方法，该方法能够有效降低椭球镜面产生的损耗，并减小镜面面积．椭球镜是准光学馈电网络中用于波束传输的重要器件，经过分析高斯波束传播模型发现常规截取方法设计的椭球镜会导致额外的能量损耗，影响系统整体的电气性能．针对该问题，通过建立椭球镜面传播高斯波束模型，优化了常规镜面截取方法——根据高斯波束传播至镜面对应的束腰半径将镜面作相应平移．经过仿真发现，优化后镜面边缘的最大电平从一30dB降低到一35dB以下，并且镜面尺寸减小10％～30％．改进的镜面设计方法更有利于系统的

3、紧凑布局和良好的电气特性，提高了系统信噪比，能保证微弱气象信号在传输过程中的能量维持，对改善准光系统的性能有很大意义．关键词：椭球面反射镜；准光系统；高斯波束理论；镜面截取；能量损耗中图分类号：V474．2文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)05-0947-06在气象遥感领域，微波辐射计具有常规红外和光学探测仪不具备的优势，如不受云层影响、全天候、全天时探测等．此外，由于大气及地表物体的热辐射信号落在微波波段⋯，微波辐射计旧1可以通过被动接收大气以及地表物体的热辐射信号获得相关观测数据．地

4、球静止轨道卫星微波辐射计能够实现对大气和地面的长期不间断观测，在气象灾害的预报监测等领域有着不可替代的优势．所以研制搭载于地球静止轨道卫星上的微波辐射计有着极其重要的应用价值"1．同时，由于地球静止轨道气象卫星属于高轨道卫星，需要采用毫米波／亚毫米波的探测器(或遥感器)进行探测，以满足辐射计空间分辨率的需求．然而，在毫米波和亚毫米波波段，传统的波导传输系统会带来较大的传输损耗”41．与传统的导波系统相比，准光系统H1结构紧凑，整体尺寸较小，传输损耗低，易于实现超宽带传输¨1．并且，不同于常规的焦平面馈源阵列

5、排布方式，准光系统能够使多通道的波束共用主反射面天线的焦点，使波束空间指向一致，真正实现共视轴传输．一般而言，准光系统通常使用椭球面金属反射镜实现波束汇聚、改变波束方向以获得紧凑的系统布局．由于反射镜面材料为良导体金属，镜面的反射率较高，热损耗极低．因此，如果镜面截取面积足够大，该器件产生的损耗很小．通常，椭球面反射镜的半径按照2倍波束半径的原则进行截取，保证了较低的截断损耗心’7

6、．本文利用高斯波束理论，分析了常规的椭球面反射镜面截取方法，找出了该方法对准光系统中波束能量传播和边缘锥削效应产生收稿日期：2

7、014-06-05；录用日期：2014-07-25；网络出版时间：2015-01-0916：55网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150109．1655．001．html基金项目：国家自然科学基金(41105007)}通讯作者：刘大伟(1977一)，男，吉林通化人，副教授，david—liu863@163．eom，主要研究方向为微波遥感理论与技术、电磁散射与辐射测量技术、理论模型基础的遥感图像参数反演和遥感图像处理．引用格式：刘大伟，吴正勋，吴铮，等．准

8、光系统中椭球面反射镜面截取方法UJ．北京航空航天大学学报，2015，41p)：947-952．LiuDw，ⅣuZX，WuZ，et“．Studyontheellipsoidalretlectorinterceptionmethodsforquasi·opticalsystemsⅣJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics。2015，41f5)：947-952(inChinese)．948北京航空航天大学学报2015正不利影响的原因，并提出了

9、一种新的镜面截取方法，降低了传输过程中的能量损耗，同时减小了镜面的尺寸，更有利于准光系统的紧凑型布局‘引．1高斯波束理论1．1高斯波束的定义准直波束传输特性以近轴波动方程为基础，即亥姆霍兹(Helmholtz)波动方程在满足近轴条件下的一种近似．近似包括两个基本假设：①在第一段与波长可比拟的距离内，场分量／／,在传播方向上的变化(由于波束的衍射引起)很小；②场分量u在传播方向上的变化小于其横向变化．根据直角坐标系