专利名称:具有频率扩散直线阵天线的辐射测定成象器的制作方法本发明涉及辐射测定成象器(radiometric imager)，特别是用线源或直线阵天线和扇形射束反向确定二维场景频谱的辐射测定成象器。高分辨率的辐射测定成象在宇航、气象、海图和天文领域中有许多实际应用。辐射测定成象器特别适用于描绘大地的、行星的和海洋特征的图象;测量大气层水蒸汽、雨和海面温度;以及估计水文现象和云或雨下面的地表状况。一种现有的、由线源天线用一系列扇形射束(fanbeam)扫描一个场景得出二维图象的微波辐射仪的描述见共同未决和共同转让的美国专利申请书，序号607、869，申请日期1984年5月7日，发明人卡尔·艾·威利(Carl A·Wiley)和查尔斯·阿尔·埃德尔松(Charles R·Edelsohn)，题名为“扇形射束反向微波辐射仪”(Microwave Radiometer Using Fanbeam Inversion)。该仪器称为“自旋式辐射测定仪”(“Spinrad”)。在共同未决的申请书中公开的一个实施例包括一个机械扫描的抛物柱面天线，另一个实施例包括一个电子扫描的、可转动的直线阵天线。在该二例中，天线信号经适当处理后对被扫描的场景重新构成一个单一的辐射测定图象。辐射测定成象的许多应用需要了解被扫描的场景中的每一片段的频谱。以往是采用在所需频率范围内射束方向不变的线源天线(即非频率扩散(non-freguency-dispersive)天线)获得的。一组带通滤波器把天线输出信号分到多个不同频率的贮存器中，然后用场景的相交情况;图5示出了多个F0扇形射束相对于该射束的多个转动位置和在自旋式辐射测定仪(Spinrad)结构(Scheme)中与欲成象的场景中的一个单一象素P相交的情况;图6是本发明另一实施例的简化示意图，它包括安排得相互分开并平行的两付频率扩散直线阵天线(RAD SAR)以构成一个扫描干涉仪。参见上述附图，特别是图1～3，这里示出了用于扫描场景11(图3)并产生该场景的一组寄存图象的辐射测定成象器的第一实施例，每一图象代表在一个特定窄频段中接收到的辐射。辐射测定成象器包括一付频率扩散直线阵天线13，该天线13基于从一系列圆锥状扇形射束中接收到的辐射提供输出信号。在图2中用标号15表示二个典型扇状射束。每一扇形射束不管其接收辐射的圆周方向如何都收集一个特定的窄频带中的辐射，提供输出信号，其频带范围从一个终端角处的低频F0开始，到相对的终端角处的高频Fn为止。该扇形射束可以是一系列离散的圆锥状射束，也可以是连续的射束。天线13最好是常规的行波直线阵天线，这种天线阵包括一根长馈线，一端为输入端，另一端接负载。辐射器沿该馈线的长度与馈线耦合。图3清楚地示出了由天线13接收的圆锥状扇形射束15和景象11以一系列分开的圆锥状截面16相交的情况。若该场景极为平坦，这些圆锥状截面实际上是双曲线。若该场景由地球的部分球表面组成，则圆锥截面形成较复杂的曲线。对小地区的观察，双曲线可作为这些曲线的最佳近似。按照本发明，辐射测定成象器包括扫描机构17(图1)，用以可控地使该直线阵天线13在一系列位置上面移动，使其扇形射束15扫描该场景11，每一射束和该场景的每一小片段相交。在图1～3的实施例中，这种机械扫描是通过可控地使天线围绕着对准该场景的方向的一个轴(亦即图3中的z轴)转动并使天线围绕着垂直于天线轴并平行于该场景的轴(亦即图3中的Y轴)摆动来实现的。
对每一递增的摆动位置，天线13都要作360°的全程旋转。由此取得的数据可以在每一递增的旋转位置对每一频率构成一组扫描。图4(a)和4(b)示出两组都在F。扇形射束时的扫描。图4(a)示出在一个特定旋转位置时，几个典型摆动位置处的F。扇形射束的相交情形，图4(b)是在另一转动位置时，对于相同的典型摆动位置的F。扇形射束的相交情形。在每一个转动位置，被扫描的场景11的每一片段仅和每个扇形射束相交一次。当天线按规定的摆动和转动运动时产生的输出信号中包含的数据被存贮，以便依次处理。
图1示出本发明的第一个实施例的辐射测定成象器的简化方框图。天线输出信号从天线13经导线19传输到放大器21予以适当放大。接着将已放大的信号经导线23送到一组带通滤波器25，每一滤波器对应于每一扇形射束。由此产生的滤波信号经导线27送到一组检测电路29检测信号幅度。这些由此检测的幅度代表了天线在n个连续的窄频带内、由于扇形射束15与被扫描的场景11相交而确定的圆锥状截面16中所接收到的辐射强度的积分。
检测电路组29所产生的n个强度信号经导线31送到数据存贮器33存贮，以便依次处理数据。与此同时，表明天线13的瞬时的摆动和转动位置的数据由扫描机构17经导线35传送到数据存贮器。该数据对正确判断天线数据是很重要的。该存贮数据依次输出，经导线37传送到数据处理器39，经适当处理后确定该被扫描的场景11不同频率贮存器中保存的数据使该场景中一组寄存的图象显现出来。在这种系统中使用的多个线源天线在结构上庞大笨重，如罗德曼(Rotman)透镜或面反向器天线(即抛物柱面天线)。其他线源天线如驻波阵天线比透镜或反向器小而轻，但频带太窄。
因此，应该了解非常需要一种可以在宽频率范围内提供一个场景的频谱图象的、结构不庞大笨重、频率范围不太窄的辐射测定成象器。本发明实现了这个要求。
本发明体现在一种辐射测定成象器和一种与之有关的方法中，用一个重量轻的频率扩散的(freguency-dispersive)的直线阵天线来确定欲成象的二维场景中的每一片段的频谱。该天线提供的输出信号相应于接收到的代表予定频率范围内的特定频率的一系列园锥状扇形射束的辐射。这些扇形射束以一系列分开的园锥状截面和要扫描的场景相交。本成象器包括摆动装置，用以可控地使天线围绕摆动轴摆动，该轴垂直于该天线轴，平行于该场景面，使园锥状扇形射束以预定的方式对该场景扫描。天线输出信号包含了代表在所有的预定频率范围内从该场景所有片段接收的全部辐射的数据。该数据存贮于数据存贮装置中。按照本发明，辐射测定成象器还包括辅助移动装置，用以可控地使天线以其它方式移动，以分辨被存数据中的模糊点。因此，数据处理装置可以处理被存数据，以确定该场景的所有片段的频谱。
在本发明的一个实施例中，辅助移动装置包括用以可控地使天线围绕着既垂直于天线轴和又垂直于摆动轴的轴转动的装置。该摆动装置和转动装置以此互相协作，使每一园锥状截面和场景的每一片段多次相交。该转动装置最好使天线为每一递增的摆动位置都转动360°。
在本发明的其它实施例中，辐射测定成象器还包括第二付频率扩散直线阵天线，它和第一付天线基本相似。这两付天线安排得互相分开并平行，以使它们形成一个具有一系列为扫描场景用的园锥状扇形射束的干涉仪。该干涉仪称为辐射测定综合孔径雷达(RADSAR)。
在这些其它的实施例中，辅助移动装置可采用多种形式。例如，它可以在垂直于天线轴和平行于场景方向上相对于场景平移(translate)第一付天线和第二付天线。另外，辅助移动装置可以包括一个用以可控地使两付天线围绕平行于它们纵轴一个轴转动的装置，以可控地改变沿垂直于场景方向的一个轴的两天线之间的有效间距。在另一实施例中，辅助移动装置可以包括一个用以在保持它们的平行关系时可控地移动两付天线彼此接近或分开的装置，以可控地改变在两沿垂直于场景方向的一个轴上的、在两付天线之间的有效间距。
数据信号处理装置可以方便地产生多个该场景的寄存图象，每个图象都基于预定频率范围内的特定频带的被存数据。利用修正的雷登(Radon)换算法，根据被存数据可以方便产生这些图象。
本发明的其它方面与益处从以下优选实施例的描述并结合用举例的方法说明本发明原理的下列附图将会一目了然。
图1是频率扩散的本发明的一个实施例的辐射测定成象器的简化方框图;
图2是图1的直线阵天线的示意图，它示出了二个不同频率的圆锥状扇形射束;
图3是图1的直线阵天线的示意图，它示出了它的几个扇形射束与被扫描场景相交的情况;
图4(a)和4(b)示出了二组典型扇形射束在同一频率F0相对于扇形射束的两个典型转动位置和几个典型摆动位置与欲成象的的每个小片段的频谱。这就得出了一系列寄存的二维图象，经导线41输出，每个图象代表在一个特定的窄频带中接收到的辐射。
在Fo～Fn的频率范围内的每个离散频率上，从该场景11的每个片段发射的辐射的强度是通过适当压缩每个相应片段的全部存贮数据来确定的。具体地说，对于每个窄频带而言，将由一个指定片段的所有扫描而测得的辐射强度值相加，再取平均值。由此得出的平均值是由该特定片段发射的辐射强度的准确测量值。这个数据压缩程序在上述共同未决的、序号607、869的美国专利申请书中，已予详述，它已作为本文的参考文献。实际上，本程序就是该申请书所描述的扇形射束反向程序的一种复用形式，随着所描述的程序重复n次，在预定的F0～Fn频率范围内的每个窄频带处理一次。
对于n个窄频带(即F0～Fn)中的每一个窄频带而言，当相应的扇形射束扫描该场景时，由该扇形射束与该场景11的相交而确定的圆锥状截面16接收到的辐射构成一个称为该场景的轮廓或投影的函数。假如该圆锥状截面实际是一条直线，则该函数是该场景的雷登(Radon)变换，这对于本
权利要求
1.一种辐射测定成象器，用以确定二维场景的频谱，它包括；一付频率扩散直线阵天线，该天线具有一个纵轴，并根据在一系列圆锥状扇形射束中接收的辐射提供输出信号，其中该扇形射束代表在一预定频率范围内扩展的特定频率，并与一个二维场景交于一系列在空间上分开的圆锥状截面中；摆动装置，用以可控地使该直线阵天线围绕线一个基本上垂直于该天线轴，并平行于该场景的摆动轴摆动，以使该空间上分开的圆锥状截面以一种预定的方式扫描该场景，这样，该输出信号就包含代表由该场景的所有片段在该预定频率范围内接收的所有辐射的数据；数据存贮装置，用以汲取和存贮在由该直线阵天线提供的输出信号中所包含的数据；辅助移动装置，用以可控地使该直线阵天线以另一方式移动，以分辨数据存贮装置所存贮的数据中的模糊点；数据处理装置，用以处理数据存贮器存贮的数据，以确定该场景的全部片段的频谱。
2.如权利要求
1所述的辐射测定成象器，其中辅助移动装置包括转动装置，用以可控地使该直线阵天线围绕着一个既垂直于该天线轴和又垂直于该摆动轴的轴转动;摆动装置和转动装置互相合作，以使每一圆锥状截面与该场景的每一片段多次相交。
3.如权利要求
2所述的辐射测定成象器，其中，转动装置使该直线阵天线基本上在360°范围内转动。
4.如权利要求
1所述的辐射测定成象器，还包括一付基本上与第一付直线阵天线相似的第二付频率扩散直线阵天线，第一付直线阵性天线安排得相互分开和平行，以使它们构成一个扫描该场景的干涉仪。
5.如权利要求
4所述的辐射测定成象器，其中辅助移动装置包括一个用以将第一付和第二付直线阵天线相对于被扫描的该场景平移(translate)的装置，该平移是在大致垂直于该天线的纵轴和平行于该场景方向上进行的。
6.如权利要求
4所述的辐射测定成象器，其中，辅助移动装置包括一个用以可控地装第一付和第二付直线阵天线围绕着一个平行于两天线的纵轴的轴转动的装置，以可控地改变沿垂直于该场景方向的轴上的两天线之间的有效间距。
7.如权利要求
4所述的辐射测定成象器，其中，辅助移动装置包括一个用以在两天线保持平行关系时可控地将第一付和第二付直线阵天线相互接近和远离移动的装置，可控地改变在沿垂直于该场景方向的一个轴上的二天线之间的有效间距。
8.如权利要求
1所述的辐射测定成象器，其中，数据处理装置采用修正的雷登(Radon)变换算法处理存贮器的数据。
9.如权利要求
1所述的辐射测定成象器，其中，数据处理装置产生多个该场景的寄存图象，每个图象都是根据在预定的频率范围内的一个特定频带的存贮数据成象的。
10.辐射测定成象方法，用以确定一个二维场景的频谱，它包括如下步骤提供一付具有纵轴的频率扩散的直线阵天线，该天线根据接收的沿一系列圆锥状扇形射束的辐射提供输出信号，其中，该扇形射束代表在预定的频率范围内扩展的特定频率与一个二维图象交于一系列在空间上分开的圆锥状截面内;可控地使该直线阵天线围绕着一个大致垂直于该天线轴并平行于该场景的轴摆动，以使该空间上分开的圆锥状截面以预定的方式扫描该场景，这样，由该直线阵天线提供的输出信号包含了代表从该场景的所有片段，在预定频率范围内接收全部辐射的数据;汲取和存贮由该直线阵天线提供的输出信号内包含的数据;以其它方式可控地使该直线阵天线移动以分辨数据存贮装置存贮的数据中的模糊点;在汲取和存贮的步骤中，处理存贮的数据，以确定该场景的所有片段的频谱。
11.如权利要求
10所述的辐射测定成象方法，其中可控移动的步骤包括可控地使该直线阵天线围绕着一个大致既垂直于该天线轴、又垂直于该摆动轴的轴的转动的步骤;可控摆动步骤和可控转动步骤互相合作，以使每一圆锥状截面与该场景的每一片段多次相交。
12.如权利要求
11所述的辐射测定成象方法，其中可控转动步骤使该直线阵天线大体上在360°范围内转动。
13.如权利要求
10所述的辐射测定成象方法，还包括提供一付基本上与第一付线性天线相似的第二付频率扩散直线阵天线的步骤，第一和第二付直线阵天线安排得相互分开并平行，以使它们构成一个扫描该场景的干涉仪。
14.如权利要求
13所述的辐射测定成象方法，其中可控移动步骤包括使第一和第二付直线阵天线相对于被扫描的场景平移的步骤，该平移是在基本上垂直于该天线纵轴和平行于该场景的方向上进行的。
15.如权利要求
13所述的辐射测定成象方法，其中可控移动的步骤包括可控地使第一和第二付直线阵天线围绕着一个平行于两天线的纵轴的轴转动的步骤，以使沿垂直于该场景方向的一个轴上的两天线之间有效间距可控地改变。
16.如权利要求
13所述的辐射测定成象方法，其中可控移动的步骤包括当两天线保持平行关系时、可控地使第一和第二付直线阵天线相互接近和离开地移动的步骤，以使沿垂直于该场景的一个轴上的两天线之间有效间距可控地改变。
17.如权利要求
10所述的辐射测定成象方法，其中处理步骤包括用修正的雷登(Radon)变换算法处理存贮数据的步骤。
18.如权利要求
10所述的辐射测定成象方法，其中处理步骤包括产生该场景的多个寄存图象的步骤，每一图象都是根据预定频率范围内的一个特定频带的存贮数据成象的。

提供每一图象对应一特定窄频带辐射场型的一个场景的一系列寄存图象。一实施例含有一副根据一系列圆锥状扇形射束提供输出信号的单一频率扩散直线阵天线，该天线可控地绕轴摆动并绕垂直轴转动，使每一扇形射束与该场景每一片段多次相交。另一实施例还含有一副与第一副天线平行的第二副频率扩散直线阵天线构成扇形射束干涉仪，两天线摆动结合任一天线的平移和绕平行于两天线轴的轴转动或相互接近和离开的移动提供足以产生寄存图象的数据。