專利名稱：飛機起飛、著路用微波遙感成像儀的制作方法
技術領域：
本發明屬航空儀器儀表。
導航是保障飛機自起飛到著路過程正確、安全飛行的措施?？罩酗w行導航系統已從地標導航、航位推算導航、天文導航發展到現在的無線電導航，其中比較先進的是羅蘭C導航、Ω導航、子午儀衛星導航和GPS導航。這些導航方法足以保證飛機在航線上飛行。然而在飛機起飛和著路時使用的著路系統—儀表著路系統、微波著路系統和雷達著路系統，還脫離不開在飛機接近跑道時要靠駕駛員目視跑道情況來操縱著路。一旦天氣有霧，能見度小於200米，飛機就無法起飛、著路，強行或盲目處置則帶來很大的危險，乃至付出慘重的代價。目前國內外尚沒有一種保障飛機在大霧中安全準時起飛、著路的儀器設備和方法，致使每年由于大霧天氣造成世界各國空港的很大損失。到目前為止，僅發現英國New—Scientist 1992rh 9月26日報導了美國正在研制在霧中能幫助飛行員著路的熱相機的消息，具體細節未見報導。
本發明的目的是利用霧對厘米波的低吸收率(0.2db/1km)、聲光處理信息的高速率和高分辨率，以及CCD探測器的高響應速度，采用集微波遙感技術、聲光晶體技術、激光技術及快速成像技術為一體的方案，制造一種體積小、重量輕，能安裝在飛機前端的集接收信號、信號處理和成像為一體的(顯示器在駕駛倉中供駕駛員看)，在大霧時使飛機駕駛員在1000米左右的距離就能夠找到機場，在500米左右的距離就能看清跑道，像晴天一樣自由起飛、著路的儀器，其角度分辨率為≤1°。
本發明的原理。根據Planck定理，處于絕對零度(-273℃)以上的物質，在全頻段上都以電磁波的形式向外輻射能量。不同波段的探測器可以檢測到相應波段的輻射能量。微波輻射計就是檢測物體輻射中微波波段能量的遙感探測器。經過對接收信號的處理就可以從中提取所需的信息，如物體的性質、所處的位置和狀態等。在微波波段物體輻射的功率譜密度為 其中K為Boltgman常數[1.38·10-23W·S·K-1]，T為物體的物理溫度[K]，它與觀測天線對物體的方位有關，一般記為T(θ)，θ、是以天線為原點的球星標角度，λ為波長[m]。
天線接收物體的能量等於對整個天線口徑的輻射強度的積分，經計算為PR＝k·ε·T·ΔF ……(2)其中ε為物體發射率，ΔF為接收系統帶寬[Hz]。從式2可知接收到的物體輻射強度與物體溫度有關，與表征物體性質的發射率ε有關，帶寬越寬接收信號越強，改寫式(2)ϵ·T=PRk·Δf=Tb······(3)]]>稱Tb為物體的亮度溫度，在相同環境溫度下，不同物體有不同的亮度溫度，從測得的不同亮度溫度Tb可以區別出物體，通過輻射計測量不同物體可以得到它們的亮度溫度，如在厘米波段，草地與混凝土相差約50K，混凝土與土壤相差約35K，混凝土與瀝青相差20K。
如前所述，本發明的目的是實現瞬間觀測機場及其跑道的情況，要得到關于被測物體的性質，位置和形狀等方面的信息，這是用雷達和普通機載微波輻射計所不能實現的。用雷達掃描地面，從大量而強的回波中提取地面圖像需要采取用極快速的信號處理方式，這在技術上是很難實現的，達不到實時觀看的目的。用微波輻射計取得地面圖，就是用毫米波也需用幾十米長的天線才能有分辨出機場跑道的分辨率。為了快速準確地處理信息并使儀器設備小型化，本發明采用了微波輻射計接收地面物體所輻射的微弱信號，用聲光晶體和Fourier變換進行信號處理，合理布置微波輻射計天線陣和聲光晶體的聲光換能器電極的位置，就能產生等效銳化波瓣的效果，經過Fourier透鏡變換，獲得地面物體高分辨率圖像。如附圖所示，具有多個小型天線的兩個成直線排列的天線陣—X向天線陣1和Y向天線陣2的軸線交角成銳角，被測物體的輻射波與這兩組天線陣的法線分別成θx、θy角。由于天線陣上的每一個天線與被測物體的距離不等，所以接收的同一個波前面的時間亦不同，相對有一個延時。這個延時是后面經放大、聲光處理獲得物體位置θx、θy的主要依據。
X向天線陣所接的微波信號經過多通道的外差式放大器混頻放大后輸出的聲頻信號被送至被設計成能夠產生多通道動態變化的光柵—多通道Bragg9盒中。激光器7發出的激光束經過Bragg盒9的衍射，經Fourier透鏡11的變換后就可以得到關于天線陣所接收的物體的X方向強度和方位θx定量信息。而Y方向的天線陣接收到的輻射波經過外差式放大器系統的相同處理后得到的聲頻信號加到與前一個多通道Bragg盒9正交(90°)放置的相同結構的Bragg盒13上，對前面的衍射光再次進行衍射，經過Fourier透鏡15的變換后，輸出光束中又含有了Y方向的強度、方位θy的定量信息。至此就可以在顯示屏18上給出天線陣所接到的地面物體的圖像——幾何位置和輻射強度圖，如混凝土跑道、草地或土地以及可能出現在跑道或著陸點上的物體的性質和位置。
如附圖所示，本發明由三部分構成，即微波輻射計系統、聲光信號處理系統和攝像顯示系統。微波輻射計系統是由兩組線性排列、線軸交角為銳角的天線陣—X向天線陣1和Y向天線陣2，兩組與天線陣相對應的外差式低噪聲、高靈敏度、高穩定性的多通道微波放大器3和4組成，兩組外差式多通道放大器共用一個本機振蕩器6，由多路功率分配器5分配功率；聲光信號處理系統由激光源7、擴束透鏡8、X陣多通道Bragg盒9、Fourier透鏡10、擴速透鏡12、Y陣多通道Bragg盒13、Fourier透鏡15和CCD成像陣列16組成，X和Y陣多通道Bragg盒9和13上分別設置有電聲換能器10和14。為了保證圖像不失真，換能器的電極的間距的比等天線陣元的間距比。為了增強Bragg盒衍射通道的相干作用，選擇了合適的天線間距比微波波長與電聲換能器間距比激光波長的比例因子。攝像顯示系統由短焦距攝像機17和屏幕顯示器18組成。具體工作過程如下由X向天線陣1所接收到的地面物體的輻射波分別進入各個陣元所對應的外差式放大器，經過場放后與本振6產生的固有振蕩頻率的信號混頻后形成中頻信號，再經過中放功放后，加到X陣多通道Bragg盒9的電聲換能器10對應的電極上，變換成聲信號驅動Bragg盒9中的聲光晶體的折射率發生變化，形成動態變化光柵。激光器7發出的激光束經擴束透鏡8的擴束后，以平面波的形式射入動態變化的光柵中，產生衍射，衍射光經過Fourier透鏡11后，輸出光束的強度和位置分布代表了被測目標的輻射強度和在X軸向的位置的信息。在同一過程中，由Y向天線陣2接收到的信號，經過相同過程的處理，到聲光換能器14，變成聲信號進入多通道Bragg盒13上形成一個動態變化的光柵，已被衍射的光束經擴束透鏡12擴束后進入Y陣多通道Bragg盒13，再次被衍射，再經過Fourier透鏡15變換后，得到被測目標強度和在X向和Y向的位置的信息θx、θy都呈現在CCD陣列16的耙平面上，經攝像機拍攝后在顯示屏18上顯示出圖像來。整個過程是在微波和光的處理下完成的，實現了瞬間觀測，從根本上解決了飛機在大霧等能見度很低的情況下起飛和著路的安全保障問題。
飛機起飛、著陸微波遙感成像儀方框圖1、X向天線陣2、Y向天線陣3、X向多通道外差式放大器4、Y向多通道外差式放大器5、多路功率分配器6、本激振蕩器7、激光源8、擴束透鏡9、X陣多通道Bragg盒9 10、電聲換能器11、Fourier透鏡12、擴束透鏡13、Y陣多通道Bragg盒13 14、電聲換能器15、Fourier透鏡16、CCD陣列17、攝像機18、圖像顯示器。
本發明的實施例X和Y向天線陣1和2分別由4個啦叭形天線組成，天線陳線軸交角35°，啦叭形天線間距分別為0,330,561，945[mm]，八套外差式放大器都設計有X波段低噪聲場放大器，帶寬為±10MHE，天線與放大器之間用低損饋線聯接；X向的4個外差式放大器的輸出端與X陣多通道Bragg盒9的電聲換能器10的4個電極相連接，Y向的4個外差式放大器的輸出端與Y陣多通道Bragg盒13的電聲換能器14的4個電極相連接，電聲換能器的電極間距分別為0，1.5，2.5，4.3[mm]。激光器為He—Ne激光器，Bragg盒的聲光晶體為LiNbO3單晶，尺寸為20×20×2mm，聲光晶體工作在150MHZ下。CCD為1024×1024的面陣。
權利要求
1.一種用于飛機起飛、著路的微波遙感成像儀，由微波輻射計系統、聲光信號處理系統和攝像顯示系統組成，其特征是由多個天線構成的兩組天線陣——X向天線陣1和Y向天線陣2，每個天線陣后面都設置有與天線陣上的天線數量相等的各自獨立的外差式放大器系統3和4，本機振蕩器6通過多路功率分配器5與外差式放大器系統3和4中的每個放大器相連接，多通道外差式放大器系統3的每個輸出端分別與X陣多通道Bragg盒9的電聲換能器10的電極相連接，多通道外差式放大器系統4的每個輸出端分別于Y陣多通道Bragg盒13的電聲換能器14的電極相連接，激光源7、擴束透鏡8、X陣多通道Bragg明盒9、Fourier透鏡11、擴束透鏡12、Y陣多通道Bragg盒13、Fourier透鏡15以及CCD陣列16固定在同一個軸線上，攝像機17聚焦于CCD16陣列平面上，輸出端與圖像顯示器18的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的微波遙感成像儀，天線陣1和2上的天線是喇叭狀的并且是直線排列的。
3.根據權利要求1所述的微波遙感成像儀，兩組天線陣1和2的直線軸的交角為銳角。
4.根據權利要求1所述的微波遙感成像儀，天線陣1和2上的天線間距之比等于X陣和Y陣多通道Bragg盒9和13的電聲換能器10和14的電極間距之比。
5.根據權利要求1所述的微波成像儀，各自獨立的外差式放大器3和4是低噪聲、高靈敏、高穩定的微波放大器
6.根據權利要求1所述的微遙感成像儀，X陣多通道Bragg盒9和Y陣多通道Bragg盒13是正交(90°)設置的。
全文摘要
一種能夠在低能見度的大霧天氣中保證飛機安全起飛著路的微波遙感成像儀，其特征是采用了把具有多路微波輻射計系統3和4的兩個直線排列的天線陣1和2的與具有兩個正交設置的多通道Bragg盒9和13的聲光信息處理系統相結合的方法，實現了能接收到地面物體極其微弱的微波輻射能量，經過光電轉換處理后，將機場及其跑道的位置和狀態隨機地顯示出來。這種成像儀具有在大霧和黑暗中看到機場跑道體積小，重量輕，處理速度快，分辨率高等優點。
文檔編號G01S11/12GK1133974SQ9510084
公開日1996年10月23日 申請日期1995年3月20日 優先權日1995年3月20日
發明者張俊榮, 許承杰 申請人:中國科學院長春地理研究所
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