用于空间遥感的一种毫米波双通道准光系统

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1、58中国空间科学技术2010年8月一一一ChineseSpaceScienceandTechnology-v-第4期用于空间遥感的一种毫米波双通道准光系统俞俊生1陈晓东2苗俊刚3刘绍华1徐亮2刘小明1苏汉生1魏钦刚1麦源1刘海瑞1白明3(1北京邮电大学，北京100876)(2伦敦大学玛丽皇后学院，伦敦E14NS)(3北京航空航天大学，北京100191)摘要准光系统广泛应用于星载遥感系统中。北京邮电大学电磁场国际开放实验室以伦敦大学玛丽皇后学院发明的衍射高斯波束分析(DiffraetedGauss

2、ianBeamAnalysis，DGBA)算法为基础，设计了可用于空间遥感的一种毫米波双通道准光网络系统，设计指标要求准光系统两路出射波束发散角均为10。(8．68dB波束宽为20。)，旁瓣低于一25dB。该准光网络系统已在北京航空航天大学加工并实验测量。算法仿真和实验测量结果都验证了该设计的有效性。关键词双通道准光网络系统毫米波衍射高斯波束分析法空间遥感1引言利用亚毫米波、毫米波辐射从太空研究地球大气和海洋是准光网络系统最主要的应用之一，在遥感和射电天文应用领域，辐射计主天线的馈源／接收器可由

3、一些准光反射镜级联起来构成，这些准光天线系统的工作频率逐步向高频延伸甚至已经延伸到太赫兹波段。与其他毫米波、亚毫米波系统相比，准光网络系统具有以下明显的优势[1]：1)低损耗特性，2)多极化处理能力，3)宽频带特性。同时，它还有很强的功率处理能力和控制能力，可以同时处理不同的波束而保持其各自独立的特征[2]。准光网络系统常用于空间遥感服务，如星载辐射计等，因此设计准光网络系统时一般采用多通道光路合成的技术，如本文设计的双通道准光网络系统。该系统采用54GHz和89GHz两个频率通道，使用了双色器

4、(diehroie)和一个共用的主反射镜，把两个频率通道合成。采用多通道光路合成的技术，可以有效减少系统的空间大小，使得系统能更方便进行星上搭建。然而，设计和验证准光系统的方法到目前为止仍然是有限的。几何光学法(GO)不能解释边界衍射现象。作为几何光学法的改进，几何衍射理论(GTD)虽然可以处理边界衍射但却不能处理焦散区。UTD(UniformGeometricalTheoryofDiffraction)方法能够有效克服GTD的缺点，但是由于它的非模块化，不能在多反射镜系统中方便地应用。物理光学

5、方法(PO)很精确，但是对于电大尺寸的系统，它在计算时间和存储方面代价都很高。再者，在这样的准光网络系统里，信号预处理组件比如极化器和双色器的应用使得上面提到的方法更不实用。基于以上原因考虑，伦敦大学玛丽皇后学院开发了衍射高斯波束分析法(DGBA)[3]，这是一种比物理光学方法更快的方法。这种高斯光束方法考虑了边界衍射，并且能在近轴近似的条件下给出相当准确的分析。同时，还可以很方便的与PMM算法衔接。PMM是由Munk提出和开发的用来分析频率选择表面(FSSs)的方法【4]，特别适用于分析双色器

6、。本文描述了基于DGBA和PMM综合算法分析设计的一种包含双色器的双通道准光系统。国防科技工业民用航天科研预先研究项目(C1320061301)收稿日期l2009—08—04。收修稿日期：2010—04—082010年．8月中国空间科学技术2光路设计由于卫星内空间有限，因此设计空间遥感辐射计时一般采用了多通道合成的方法，使得系统的占用体积减小。所谓多通道合成是指多个通道共用一个或者多个反射镜，并采用双色器把各个通道分开的做法。本文中将以双通道准光网络系统的设计为例，讲述双通道系统的设计方法。下面

7、先介绍单个光路的设计原则。在准光网络系统中，一般采用椭球面反射镜对光路进行设计。满足近轴条件的椭球面反射镜可以产生一个二次相位增量，从而可以用一个理想透镜来近似。我们可以计算椭球面反射镜对应的等效焦距，便可以用傅立叶光学理论简洁处理。厂可以根据经过椭球面反射镜反射前后电磁波相位波前曲率半径的非连续性变化来求得：厂=燕(1)式中R；是入射波在反射镜处球面相位波前对应曲率半径；R。是反射波在反射镜处球面相位波前对应曲率半径【5]。对于椭球面反射镜来说，有一个简单、有用的结论是R。=R，，R。=R：时

8、达到相位匹配。这意味着当入射波在反射镜处球面相位波前对应曲率半径Ri与入射点(椭球面反射镜光心)和椭球面反射镜所在椭球的几何焦点F。之间距离R。相等，同时R。与椭球面反射镜光心和椭球另一个几何焦点F：之间的距离R。也相等时，入射波束与出射波束匹配，如图1所示。如果这个条件不满足，反射镜的表面就会产生相位误差[6]。为了处理一条光路中的两个反射镜，设M1为第一个反射镜，M2为第二个反射镜。达到最好的匹配效果时，M1的出射波束腰应与M2的入射波束腰重叠，如图2所示，将其定义为‰m。。系统内部反射镜之