世界星载SAR发展综述

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世界星载SAR发展综述

2006年12月

说明

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李飞

目录

1、各国星载SAR发展概况 2、美国

2.1 SEASAT (海洋星)

2.2 SIR-A (Shuttle Imaging Radar-A) 2.3 SIR-B (Shuttle Imaging Radar-B)

2.4 SIR-C/X-SAR (Shuttle Imaging Radar-C/X-SAR) 2.5 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 2.6 Lacrosse (长曲棍球系列) 2.7 Discover II (发现者2) 2.8 LightSAR 2.9 RADAR1 2.10 Magellan 2.11 Cassini 3、欧空局 3.1 ERS-1/ ERS-2 3.2 Envisat(ASAR)

3.3 Cosmo-Skymed(宇宙-地中海) 3.4 TerraSAR-X 3.5 SAR-Lupe 4、俄罗斯

4.1 Almaz(钻石系列) 4.2 Arkon-2 4.3 Kondor-E

5、加拿大 5.1 RadarSAT-1 5.2 RadarSAT-II 6、日本

6.1 JERS-1(Japan Earth Resources Satellite) 6.2 ALOS(PALSAR) 7、以色列 7.1 TECSAR 8、印度 8.1 RiSAT 9、阿根廷 9.1 SAOCOM 10、韩国

10.1 ROK-SAR(Arirang V/ Kompsat-5) 11、中国 12、总结

1、各国星载SAR发展概况

SAR是20世纪50年代提出并研制成功的一种微波遥感设备,也是微波遥感设备中发展最迅速和最有成效的传感器之一。作为一种主动式传感器,它能不受光照和气候条件的限制实现全天时、全天候对地观测。还可以透过地表和植被获取地表下信息。这些特点使它在农业、林业、地址、环境、水文、海洋、灾害、测绘与军事领域的应用具有独特的优势。使得SAR收到世界各国政府的高度重视与支持。在短短的50年间,从构思—实验室—机载—星载,其各个时期的发展都相当迅速,各方面技术也不断发展与完善。

1951年6月美国Goodyear宇航公司的Carl Wiley首先提出频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时美国伊利诺依大学控制系统实验室独立地用非相参雷达进行实验,验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。

1952年第一个SAR系统研制成功。 1953年获得第一幅SAR图像。

1957年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统获得第一张全聚焦的SAR图像。

20世纪70年代美国密歇根环境研究所(ERMI)和国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)研制出1.25GHz和9GHz多极化合成孔径雷达。

1972年JPL进行了L波段星载SAR的机载校飞。

1978年6月27日JPL发射了载有SAR的海洋卫星SEASAT,标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代,标志着星载SAR由实验室研究向应用研究的关键转变。

1981年11月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载SIR-A顺利升空。雷达影像上成功观测到撒哈拉沙漠的地下古河道,显示了SAR具有穿透地表的能力,引起国际科技界的震动。

1984年10月5日美国进行了“挑战者”号航天飞机搭载SIR-B的实验。 1987年7月原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上配备了一部分辨率为25米的S波段SAR系统。主要对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘,监测海洋表面污染,鉴别海冰和对厚冰区的舰船进行导航等。

1988年12月2日,美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号将“长曲棍球(Lacrosse)”军事侦察卫星送入预定轨道,这是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星。

1989年NASA开展了一项星球雷达任务——Magellan雷达观测金星计划,将SAR拓展到研究其他星球的重要工具之一。

1991年3月8日,NASA发射长曲棍球-2。

1991年3月31日COSMOS-1870的改进型ALMAZ-1由前苏联发射上天,搭载S波段SAR。

1991年7月1日ESA发射了其第一颗地球资源卫星ERS-1,可提供全球气候变化情况,并对近海水域和陆地进行观测。

1992年2月11日,日本发射地球资源卫星JERS-1,携带L波段SAR系统。

1994年NASA、DLR(德国空间局)和ASI(意大利空间局)共同进行了航天飞机成像雷达飞行任务SIR-C/X-SAR,分别在1994年4月9日到20日和9月30日到10月11日进行了两次飞行。SIR-C由NASA负责完成,是一部双频(L波段、C波段)全极化雷达。X-SAR由DLR和ASI共同建造,为单频X波段,单极化VV雷达。SIR-C/X-SAR首次实现了利用多频、多极化雷达信号从空中对地球进行观测,SIR-C图像数据有助于人们深入理解现象背后的物理机理,深入开展植被、土壤湿度、海洋动力学、火山活动、土壤侵蚀和沙化等多项科学研究工作。

1995年4月21日年ERS-2发射升空。

1995年11月4日加拿大成功发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1,该星为商业应用和科学研究提供全球冰情、海洋和地球资源数据。

1996年NASA开展了第二项星球雷达任务——观测土星的Cassini任务,用于开展观测Titan表面的物理状态、地形和组成成分等多项任务,进而推测其内部构造。

1997年10月24日,NASA发射长曲棍球-3。

2000年2月11日NASA和NIMA(美国国家测绘局)联合进行了为期11天的航天飞机地形测绘任务(SRTM)。采用60米长的可展开天线杆进行干涉测量。

2000年8月17日,NASA发射长曲棍球-4。

2002年3月1日ESA发射Envisat卫星,搭载ASAR。 2005年4月30日,NASA发射长曲棍球-5。

2006年1月24日,日本发射ALOS,搭载PALSAR。

可见,从1978年美国发射第一颗合成孔径雷达卫星SEASAT开始,很多国家都陆续大力开展星载雷达的研究。根据不完全统计,已经发射或即将发射星载SAR的国家包括:美国、欧空局、俄罗斯、日本、加拿大、中国、印度、以色列、韩国、阿根廷等。

星载SAR从低分辨率、单极化、单一工作模式向高分辨率、多极化、多种工作模式发展,从2D向3D发展,下面分别予以介绍:

2、美国

2.1 SEASAT (海洋星)

1978年6月27日,美国NASA从范登堡基地发射了Seasat-A卫星,其上首次装载了合成孔径雷达,工作在约800公里的高度上。入轨10天后星载SAR系统才首次启用,卫星飞行105天后,由于电源系统故障,于1978年10月10日终止飞行使命。其间,SEASAT系统共工作500次,每次5~10分钟,以25米的分辨率对地球表面1亿两千万平方公里的面积进行了测绘,实现了全天时、全天候工作。Seasat-A标志着SAR技术已进入空间领域,开创了星载合成孔径雷达的历史,其任务是论证海洋动力学测量的可靠性,在其短短的3个月工作时间内向地面传回了大量有关陆地、海洋和冰面的图像。利用Seasat-A的雷达图象,获得了大量从未得到的地表信息。 序号 指标 SEASAT SAR 倾斜角:108 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 轨道 频率 波长 极化 分辨率 入射角(视角) 测绘带 带宽 数据处理方式 PRF 脉宽 天线类型 天线尺寸 天线增益 天线方位向波束宽度 天线距离向波束宽度 峰值功率 波束操控方式 收发方式 STC范围 目的及应用 方位向:25米(4视) 20o(固定) 100公里 19MHz 光学 1463~1640Hz 33.4us 微带天线 10.74米32.16米 35dB 1.73o 6.2o 1000w 固定 集中收发 9dB 海洋研究 高度:800公里 1.275GHz(L波段) 0.235米 HH 距离向:25米 SEASAT-1卫星系统参数

SEASAT雷达图像

2.2 SIR-A (Shuttle Imaging Radar-A)

1981年11月12日,美国NASA在肯尼迪航天中心利用哥伦比亚号航天飞机将SIR-A送上太空,该任务为期3天,于1981年11月14日降落在位于加州的爱德华兹空军基地。SIR-A是一部HH极化L波段合成孔径雷达(SAR),以光学记录方式成像。SIR-A共录取了7个半小时的数据,对1000万平方公里的地球表面进行了测绘,获得了大量信息,其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道,引起了国际学术界的巨大震动。它是构成NASA(OSTA-1)的一个组成部分,主要目的是让人们更多地获取地表信息,并作为地球观测的科学平台。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 SIR-A系统参数

指标 轨道 频率 波长 极化 分辨率 入射角(视角) 测绘带 带宽 数据处理方式 PRF 脉宽 天线类型 天线尺寸 天线增益 天线方位向波束宽度 天线距离向波束宽度 波束操控方式 收发方式 峰值功率 目的及应用 SIR-A 倾斜角:38 o 高度:259公里 1.275GHz(L波段) 0.235米 HH 距离向:40米 方位向:40米(6视) 47 o(固定) 50公里 6 MHz 光学 1464~1824 30.4 us Corporate feed 9.4米32.16米 N/A N/A N/A 固定 集中收发 1000W 陆地地质研究

2.3 SIR-B (Shuttle Imaging Radar-B)

1984年10月5日,美国NASA利用挑战者号航天飞机将SIR-B送上太空,该任务代号为STS-41G,到1984年10月13日,为期一周。SIR-B也是一部HH极化L波段合成孔径雷达(SAR),它是构成NASA(OSTA-3)的一个组成部分。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 SIR-B系统参数

指标 轨道 频率 波长 极化 分辨率 入射角(视角) 测绘带 带宽 数据处理方式 PRF 脉宽 天线类型 天线尺寸 天线增益 天线方位向波束宽度 天线距离向波束宽度 波束操控方式 收发方式 峰值功率 目的及应用 SIR-B 倾斜角:57 o 高度:225/272/352公里 1.282GHz(L波段) 0.235米 HH 距离向:17~58米 方位向:25米(4视) 20 o~55 o 10~60公里 12MHz 光学,数字 1464~1824 30.4 us Corporate feed 10.7米32.16米 N/A N/A N/A 机械扫描 集中收发 1000W 陆地及海洋研究

2.4 SIR-C/X-SAR (Shuttle Imaging Radar-C/X-SAR)

SIR-C/X-SAR是在SIR-A,SIR-B基础上发展起来的SIR-C/X-SAR,于1994年4月由美国NASA利用航天飞机将其送上太空,引入了很多新技术,是当时最先进的航天雷达系统,表现在:(1) 运行在地球轨道高度上的第一部多波段同时成像雷达,它共有3个波段,由美国研制L和C波段SAR,德国、意大利研制X波段SAR;(2) 运行在地球轨道高度上的第一部高分辨率4种极化(HH ,HV,VH和VV)同时成像的雷达(X-SAR只有VV极化)。(3)由于采用相控阵天线,其下视角和测绘带都可在大范围内改变。该系统今后将随航天飞机作多次飞行,主要应用于环境监视和资源勘探等商业目的。

SIR-C天线设计如下:C波段和L波段采用微带天线,C波段采用缝隙波导天线。天线总尺寸为:12.0m 3 3.7m。C波段天线由18个面板组成,每个面板有28个T/R组件,共504个T/R组件;L波段由18个面板组成,每个面板有14个T/R组件,共252个T/R组件

天线结构图如下:

SIR-C工作状态图:

序号 1 指标 L波段 轨道 SIR-C/X-SAR C波段 倾斜角:57 o X波段 2 3 4 5 6 频率 波长 NEσ0 极化 极化隔离度 分辨率 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 入射角(视角) 测绘带 带宽 数据处理方式 PRF 脉宽 天线类型 天线尺寸 天线增益 天线方位向波束宽度 天线距离向波束宽度 波束操控方式 收发方式 峰值功率 高度:225公里 1.25GHz 5.3GHz 9.6GHz 0.24米 0.0566 cm 0.03125 cm -40dB -35dB -22dB HH / VV / VH / HV VV ≥ 25dB ≥ 39dB 距离向:25m/13m米 20m/10m米 方位向:30米(4视) 25米(4视) 20 o~55 o 15~90公里 15~40公里 10MHz, 20MHz, 40MHz, 数字 1395~1736 33.8, 16.9, 8.5 us 微带 裂缝波导 12.032.95 12.030.7 12.030.4 36.4 dB 42.7 dB 44.5 dB 1.0 o 0.25 o 0.14 o 5 o -16 o 5 o -16 o 5.5 o 电扫 分布式T/R组件 4400W 1200 W 1400 W 21 22 23 SIR-C/X-SAR系统参数

数据率 数据格式 目的及应用 90 Mbits/s 90 Mbits/s (8,4) BFPQ 多参数观测 45 Mbits/s

23 24 25 数据率 数据格式 目的及应用 180 Mbits/s 90 Mbits/s 8Bits 6Bits 干涉测量 SRTM系统参数

2.6 Lacrosse (长曲棍球系列)

长曲棍球总体图

1、概述

美国于1977年开始研制“深蓝”(INDIGO)雷达卫星,并于1982年1月21日发射成功,这是1颗试验型卫星,但只运行了122天。“长曲棍球”(LACROSSE)卫星于1983年批准立项,直至1986年才由当时担任美国中央情报局局长的乔奇.布什批准启动,至今已发射5颗。

“长曲棍球”卫星由美国前麦道公司(现合并到波音公司)和洛2马公司研制。“长曲棍球”卫星已成为美国卫星侦察情报的主要来源,美国军方计划再订购6台“长曲棍球”卫星上的SAR,每台SAR价格约5亿美元。

(1)星体构造:主体呈八棱体,长8~12m,直径4m,

(2)卫星重约14 500kg。天线展开直径约20m,太阳能 (3)典型轨道:近地点670km,远地点780km,倾角57°和68° (4)系统配置:双星组网

(5)由于采用大型抛物面天线,所以提高了SAR的分辨率和信噪比。它采用X、L两个频段和双极化方式。其地面分辨率达到1 m(标准模式)、3 m(宽扫模式)和0.3 m(精扫模式),在宽扫模式下,其地面覆盖面积可达几百平方千米。

(6)它采用大型太阳电池翼,展开长度为50 m,可以为庞大的卫星(12 t)提供足够的功率。

(7)星上装有GPS接收机和雷达高度计,故能进行精密测量。 (8)采用TDRSS实现大容量高速率数据的实时传送,可以在全球范围内执行侦察任务。

美国的Lacrosse系统即为极化系统。“长曲棍球”卫星是当今世界上技术先进的雷达侦察卫星,它能够穿透云雨层向地面传输清晰的卫星图片美国在南斯拉夫战争,伊拉克战争以及阿富汗战争中用其进行了卫星电子战(The Satellite Wars),取得了很好的作战效果。

“长曲棍球”雷达成像卫星

共发射了5颗,4颗在轨服役。

卫星名称 Lacrosse-1 Lacrosse-2 Lacrosse-3 Lacrosse-4 Lacrosse-5 发射时间 1988年12月2日 1991年3月8日 1997年10月24日 2000年8月17日 2005年4月30日 发射器 阿特兰蒂斯号航天飞机 大力神-4A(Titan-4 03A) 大力神-4A(Titan-4 03A) 大力神-4B(Titan-4 03B) 大力神-4B(Titan-4 03B) 五颗“长曲棍球”卫星发射时间表

2、技术指标 (1)Lacrosse 1

名称 发射地 轨道:远地点×近地点 Platform 轨道运行周期 轨道高度 倾斜角 天线 NORAD Number 分辨率 目前状态 波长 频率 天线尺寸 (2)Lacrosse 2 名称 发射地 轨道:远地点×近地点 Platform 倾斜角 NORAD Number 分辨率 目前状态 (3)Lacrosse 3 名称 发射地 参数、说明 范登堡空军基地 参数、说明 范登堡空军基地 662 × 420 km Titan IV-A 68.0° 21147 (USA 69) 最好分辨率约1米(大多数图像为3米) 服役 参数、说明 Kennedy Space Center(肯尼迪航天中心) 447 × 437 km Space Shuttle Atlantis(阿特兰斯航天飞机); 93.4 minutes 275 km 57.0° rectangular antenna, 48 feet long and 12 feet wide 19671(USA 31) 最好分辨率约1米(大多数图像为3米) 完成使命,1997年脱轨坠毁 3 cm 10 GHz 8m 3 2m 轨道:远地点×近地点 Platform 倾斜角 NORAD Number 分辨率 目前状态 (4)Lacrosse 4 名称 发射地 轨道:远地点×近地点 Platform 重量 倾斜角 NORAD Number 分辨率 目前状态 679 × 666 km Titan IV-A 57.0° 25017 (USA 133) 最好分辨率约1米(大多数图像为3米) 服役(替代Lacrosse 1) 参数、说明 范登堡空军基地 695 × 689 km(675 × 572) Titan IV-B 14,500 kg 68.0°(68.1°) 26473 (USA 152) 最好分辨率约1米(大多数图像为3米) 服役(替代Lacrosse 2) 注:Lacrosse 4在初始轨道运行后做了自适应调整,括号内为调整后的相应参数

(5)Lacrosse 5 名称 发射地 轨道:远地点×近地点 Platform 重量 倾斜角 NORAD Number 分辨率 目前状态 参数、说明 Cape Canaveral 718 × 712 km Titan IV-B 16,000 kg 57.0° 28646 (USA 182) 最好分辨率约0.3米(大多数图像为1米) 服役期 2.7 Discover II (发现者2)

1、开发单位:

U.S. Air Force(美国空军)

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) National Reconnaissance Office (NRO) (国家情报局) 计划开始时间:1998年2月 预计完成时间:2010年

2、用途:Discoverer II希望能够提高对战场的监测和侦察能力,通过多星协作实现对全球地面目标的精确监控:

1)高距离分辨率地面动目标检测(HRR-GMTI) 2)合成孔径雷达成像

3)获得高分辨率数字地形高程数据(DTED)

最初,Discoverer II计划包含24颗近地轨道卫星,入射角约为54度,组成Walker星座,轨道高度为770km。现在的Discoverer II计划先会研制并发射两颗HRR-GMTI/SAR卫星用于实验,这两颗卫星集成TES(Tactical Exploitation System:战术拓展系统)系统,将对其进行一年的在轨观测论证。这些论证将未将来的多星星座系统在技术可行性,耗资,任务完成能力等方面提供可靠的参考。 3、特点:

1)跟踪并检测地面运动目标 2)高分辨率成像

3)收集高精度的数字地面高程信息 4)战场数据的实时传送

5)证明类似计划在资金消耗方面是可以接受的(单星制作费用:小于$100million;20年的生命周期内的费用:小于$10billion)

6)战争时期与和平时期都可以应用(在和平时期可以用于监测是否存在运送大规模杀伤性武器的船只等) 4、Discoverer II处理结构:

关键在于提高雷达出处理的实时性能。如果要实现GMTI功能,在线处理器的运算速度必须达到1 TOPS(Tera-operation per second )以上的吞吐量,而且整个处理器的设计不能超过卫星的重量和功率限制。因此,VLSI(超大规模集成电路)和并行处理技术成为整个处理器的技术关键。其中STAP技术是实现GMTI功能的关键。考虑天线尺寸为2.5m316m,卫星速度为7km/s,在这种参数下,运动目标与杂波主瓣往往是混叠的,也就是说运动目标淹没在杂波主瓣中。STAP(Sapce-Time Adaptive Processing)技术就用于抑止地杂波,从而将被杂波掩盖了的运动目标检测出来。 5、Discoverer II不同工作模式下的参数:

条带模式 squint collection slope angle IPR angle rate(km2/s) 70 45 700,000 3m ScanSAR squint collection slope angle IPR angle rate(km2/s) 70 45 100,000 1m 聚束模式 squint target slope angle IPR angle areas(km2) 70 45 4×4 0.3m GMTI模式 squint collection detectable slope angle angle rate(km2/s) velocities 70 0 2,000,000 1.3~58 grazing angle 12 grazing angle 12 grazing angle 12 grazing angle 6 6、Discoverer II平台参数和雷达参数

平台参数 Altitude 770km Latitude coverage grazing angle limit slope angle limit cone angle limit orbital inclination reflector weight planar on-board memory downlink rate uplink command rate -65~+65 12 70 45 53 1000kg 1500kg >160 Gbits 548Mbps(growth to 1.096Gbps) <200Kbps 雷达参数 <> 类型 合成孔径雷达 <> 工作模式 条带,聚束,扫描,GMTI <> 波段 X-band,600MHz带宽 <> 峰值功率 1kw <> 天线尺寸 5×8m <> T/R模块 350(reflector);2800(planar) <> 电子波束指方位 <=1 <> 向 俯仰 -20~+20 <> 指向精度 <0.02 <> 斜距平面分辨率 0.3m;1.0m;3.0m <> 2.8 LightSAR

1、概述

美国宇航局(NASA/JPL)

一项轻型SAR技术研究计划(LightSAR)。目标是利用先进技术来降低SAR的成本、提高SAR数据的质量。在设计上确定为双频(L,X)、L波段四极化、高分辨率(优于3m)的SAR系统。满足商业和科学等用户需求,最终目标为设计、发射、和操作地球轨道SAR小卫星系统。

用于传送有用的地球科学数据,产生科学信息产品来填充NASA地球科学事业战略计划。主要包括:监测自然灾害,监测炭周期,监测土壤、雪水,测量冰川/冰原平衡,测量海岸线,监测海洋对大气的影响。同时引导下一代商业远程数据的扩展。

计划启动时间98年10月1日,计划发射时间02年9月30日。 2、雷达参数

参数 轨道 频率/波段 极化 空间分辨率 入射角 [1] 测绘带 天线尺寸 带宽 22-27km(Strip);10x4km(Spotlight);117km(ScanSAR) [1] 1.35(1.8)m32.9m [2] 150MHz [1] 性能 轨道高度:600km[2];轨道倾角:97.8° [2] 9.6GHz / X波段 HH或VV[2] 2.6m(Strip) ;1.6m(Spotlight) ;13m(ScanSAR)[1] 20°-55°(Strip&Spotlight) ;22.5°-32.5°(ScanSAR) 数据处理方式 脉宽 平均功率 峰值功率 天线类型 数字 16.3~19.4μs(Strip Spotlight);20.6,18.2μs (ScanSAR)[1] 100W 6.989KW Passive Antenna (Elliptical Reflector) or Active Antenna (Phased Array) [2] 参考文献:

[1] Christoph Heer,etc.Germany ―The LightSAR X-Band SensorDesign and Performance‖ [2] Jeffrey E. Hilland, etc.Jet Propulsion Laboratory. ―Future NASA Spaceborne SAR Missions‖

2.9 RADAR1

1、项目背景

Radar1是一个获得许可的商业系统。RDL Space Corporation于1997年3月1日向NOAA(美国国家海洋和大气局)提出操作一颗商业星载SAR卫星系统的申请,NOAA于1998年6月16日向其颁发了许可。

但是在2000年11月,在NOAA宣称此公司存在政府合同欺骗之后,RDL交回了许可。 2、简介

Radar1系统配置:两颗卫星。世界上第一颗高分辨率商业雷达。可全天时全天候提供1米分辨率的雷达图像。在美国有两个地面接收终端,中央处理与存档设在华盛顿;在欧洲有一个地面接收终端;还有一个西太平洋地面接收终端。

计划的应用有:未许可领土上的安全威胁;国家边界监督,药品走私,非法移民,海关问题,农业,矿业。

设计寿命为7年,经营公司是美国RDL Space Corporation(研究发展实验室航天公司)。

附:研究发展实验室航天公司(RDL)是唯一一个获得经营合成孔径雷达遥感卫星商业部许可证的私营公司,它在天基雷达技术方面有着丰富的经验。它的主要业务是处理从航天飞机上传下来的所有合成孔径雷达的数据,并与NASA合作发展轻型合成孔径雷达LightSAR技术。RDL航天公司成立于1996年,目标是实现航天高分辨率合成孔径雷达图像的商业化。当美国大多数遥感公司发展可见光和近红外谱段遥感器的时候,RDL则希望研发雷达的特殊技术。 2、雷达指标 轨道 重访时间 波段 地理位置精确度 分辨率 天线 703公里,倾角62° 12小时 X波段 10米 1~5米 9米抛物面反射体

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/6g83.html

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