УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01S7/38 

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для испытания и контроля бортовых РЛС, например самолетных РЛС перехвата и прицеливания.

Известны имитаторы цели, работающие на принципе ретрансляции зондирующего сигнала РЛС: патенты США N 3142059, 3216014, 3329953, 4517569 патент ПНР N 54810, а.с. СССР N 196094, 1742984. Такие имитаторы, содержащие приемопередающую антенну, связанную с устройством, имитирующим эхо-сигнал цели, являются, как правило, пассивными и автономными, т.е. не имеющими электрических связей с бортом.

Они принимают своей антенной зондирующий сигнал РЛС, трансформируют его в соответствии с заданными характеристиками реального эхо-сигнала (создают необходимый допплеровский сдвиг частоты, временную задержку, "колиброванную" мощность и через ту же антенну переизлучают этот сигнал в направлении контролируемой РЛС.

Для радиомаскировки РЛС, защиты ее от помех и экологической защиты окружающей среды, имитатор или его антенна, как правило, устанавливается в экранированных помещениях безэховых камерах (БЭК), при этом антенна контролируемого объекта вставляется в БЭК через отверстие в одной из ее стенок.

Указанные имитаторы имеют недостатки:
1. Большие размеры БЭК, вызванные необходимостью установки антенны имитатора в дальней зоне антенны контролируемой РЛС практически на расстоянии более 20 м от объекта контроля.

2. Трудности имитации нескольких целей и их движения в пространстве с заданными угловыми скоростями.

Известно также устройство (прототип) для имитации целей (патент США N 4521780 кл. G 01 S 7/40), содержащее безэховую камеру, отражатель, расположенный у одной из торцевых стенок БЭК, выполненный в виде сегмента эллипсоида, излучающий элемент, имеющий в своем составе СВЧ-генератор и связанную с ним фазированную решетку излучателей, центр которой совпадает с первым фокусом эллипсоида, и приемный элемент испытуемого самонаводящегося объекта, например управляемой ракеты с пассивной "головкой" самонаведения, расположенной так, что его центр совпадает со вторым фокусом эллипсоида.

Излучающий элемент излучает ряд независимых лучей, которые падая на различные участки поверхности эллипсоида, отражаются от этих участков и принимаются антенной испытуемого объекта. При этом каждый отраженный луч имитирует излучение приходящее от отдельной цели.

Введение в устройство эллиптического отражателя позволило сравнительно просто решить проблему одновременной имитации нескольких целей и их движения в пространстве, однако первый недостаток, а именно большие размеры БЭК, продолжают иметь место. Уменьшение размеров БЭК в этом устройстве до размеров "ближней зоны" антенны испытуемого объекта недопустимо, т.к. это приведет к искажению плоского фронта волны в раскрыве этой антенны из-за фокусировки лучей поверхностью элипсоида.

Кроме того, устройство может быть применено только для пассивных систем самонаведения и не может быть применено для контроля активных систем, например, бортовых РЛС перехвата и прицеливания.

Целью настоящего изобретения является уменьшение размеров БЭК, а также обеспечение возможности контроля активных систем самонаведения, например, бортовых РЛС. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для имитации целей, содержащем безэховую камеру (БЭК), отражатель, расположенный у одной из торцевых стенок БЭК, облучатель, установленный в фокусе отражателя и соединенный с выходом имитатора эхо-сигналов цели, антенну контролируемой бортовой РЛС, вставленную в отверстие на противоположной торцевой стенке БЭК, и контролируемую РЛС, отражатель выполнен в виде усеченного сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружности, а в вертикальных параболы, фокусы которых расположены на половине радиуса дуги окружности, и облучатель или ряд облучателей при одновременной имитации нескольких целей расположены на дуге окружности, образованной фокусами парабол. При этом каждый облучатель соединен со своим имитатором эхо-сигнала, отражатель установлен в ближней зоне антенны контролируемой РЛС и ориентирован относительно этой антенны таким образом, что его вертикальная ось проходит через центр антенны РЛС.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, вид сверху; на фиг. 2 - блок-схема того же устройства, вид сбоку.

Устройство содержит безэховую камеру БЭК-1, отражатель 2, облучатель (облучатели) 3, имитатор (имитаторы) ЭХО-сигналов цели 4, антенну контролируемой бортовой РЛС 5 и бортовую РЛС 6.

Отражатель 2 расположен у одной из торцевых стенок в ближней зоне (зоне Френеля) антенны бортовой РЛС 5, которая вставлена в отверстие на другой торцевой стенке БЭК 1.

Отражатель 2 выполнен в виде усеченного снизу сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружностей, а в вертикальных параболы. При этом фокусы парабол расположены на половине радиуса дуги окружности и облучатель или ряд облучателей 3 (при одновременной имитации нескольких целей) расположены на той же дуге, образованной фокусами парабол, т.е. на "фокальной дуге". Каждый из облучателей 3 представляет из себя приемопередающую антенну СВ4, например рупорную антенну. Отражатель 2 ориентирован относительно антенны РЛС 5 таким образом, что его вертикальная ось проходит через центр антенны РЛС 5.

Каждый облучатель 3 связан со своим имитатором эхо-сигнала 4. Имитаторы эхо-сигнала известны и выбираются в соответствии с типом контролируемой РЛС 6. Например, для допплеровской РЛС с непрерывным излучением имитаторы по патентам США N 3142.059, N 3216014, N 3 329953, N 4517569, для импульсной некогерентной РЛС имитаторы по а.с. СССР N 196094, для когерентной импульсной РЛС малой скважности по а.с. СССР N 1742984 и т.д.

Устройство работает следующим образом:
Электромагнитная волна зондирующего сигнала РЛС 6, излучаемого антенной РЛС 5, падает на сферопараболический отражатель 2. Отраженный от сферопараболического отражателя 2 сигнал поступает на вход облучателя 3.

Принятый облучателем 3 сигнал поступает на известный имитатор эхо-сигнала 4, который преобразует зондирующий сигнал РЛС 6 таким образом, что его характеристики становятся близкими к характеристикам реального эхо-сигнала цели (т.е. создает необходимый допплеровский сдвиг частоты, временную задержку, нормированную мощность и т.д.) и излучает его через тот же облучатель 3 в направлении отражателя 2. Отражатель 2 трансформирует сферическую волну облучателя 3 в квази-плоскую волну и посылает ее в направлении антенны РЛС 5, имитируя тем самым бесконечно удаленную цель.

Имитация нескольких целей с различными азимутальными позициями обеспечивается несколькими однотипными облучателями 3, расположенными на фокальной дуге (см. фиг.1). Движение цели по азимуту создается перемещением облучателя вдоль фокальной дуги.

Имитация нескольких целей с различными позициями по "наклону" создается несколькими облучателями 3, смещенными по вертикали на различные расстояния от "фокальной дуги". Движение цели по наклону осуществляется за счет перемещения облучателя 3 по вертикали.

Обоснование выбора формы и размеров отражателя.

Известно, что для имитации эхо-сигнала от бесконечно-удаленной цели, необходимо создать в раскрыве антенны испытуемой РЛС плоский фронт Э.М. волны, перпендикулярный направлению на цель.

Это достигается либо путем удаления точечного источника излучения (рупорной антенны имитатора) в дальнюю зону антенны РЛС, либо путем применения колиматорных устройств (больших параболических зеркал, линз и т.д.), позволяющих получить плоскую волну в раскрыве антенны РЛС при расположении этих устройств в ближней зоне антенны.

В измерительной технике СВЧ наиболее распространены коллиматоры в виде усеченного параболического зеркала с облучателем в его фокусе. Такие коллиматоры обычно используются для снятия диаграмм направленности антенн в ближней зоне Френеля, что существенно сокращает размеры рабочего места, т.е. БЭК.

Усечение зеркала параболоида позволяет значительно снизить теневое влияние облучателя и реакцию зеркала на облучатель за счет расположения облучателя вне зоны наиболее интенсивного поля зеркала (см. фиг.2).

Для имитации нескольких целей необходимо создать веерную диаграмму направленности, имеющую несколько порциальных лучей, каждый из которых имитирует бесконечно удаленную цель. Параболическая антенна создает веер порциональных (независимых) диаграмм, если облучателей несколько и они смещены из фокуса на различные расстояния. Смещение ΔX каждого независимого облучателя из фокуса параболического зеркала приведет к смещению максимума диаграмм направленности на угол Δθ Эти величины связаны соотношением:

где
F фокусное расстояние параболоида,
см. "Справочник по основам радиолокационной техники", Воениздат М. 1967 г.

Однако при смещении облучателя из фокуса происходит расфокусировка, вследствие чего искажается фронт волны и уменьшается коэффициент усиления антенны. Этот недостаток параболических антенн ограничивает пределы имитации целей по "углу" практически до углов приблизительно 10 градусов.

Этот недостаток параболических антенн устраняется в сферических антеннах. Неглубокое сферическое зеркало действует почти так, как и параболическое зеркало, если облучатель расположен на половине радиуса сферы, а направление его максимума излучения ориентировано вдоль радиуса, см. тот же "Справочник по основам радиолокационной техники". Однако сферические антенны имеют другой недостаток: в них в принципе нельзя избежать теневого влияния облучателя, т.к. отраженный от зеркала луч всегда проходит через облучатель и центр сферы.

Для большинства РЛС величина зоны обзора и сопровождения по наклону гораздо меньше, чем величина зоны обзора и сопровождения по азимуту. Поэтому для расширения зоны имитации целей в горизонтальной (азимутальной) плоскости целесообразно применить сферический профиль зеркала, сохранив в вертикальной плоскости параболический профиль для устранения теневого влияния облучателя, то есть в качестве отражателя использовать сферопараболическое зеркало. Таким образом, отражатель должен быть выполнен в виде усеченного сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружности, а в вертикальных параболы. Фокусы парабол должны быть расположены на половине радиуса дуги окружности. Если на этой "фокальной дуге" расположить облучатели, то каждый облучатель с помощью зеркала-отражателя будет создавать свою порциальную диаграмму направленности, имитирующую цель без ограничения пределов имитации в горизонтальной плоскости.

Следует отметить, что недостатком сферических зеркал, в данном случае сферического профиля в горизонтальной плоскости, является некоторое искажение плоскости фронта волны, зависящее от отношения размеров антенны РЛС к размерам сферического отражателя, а следовательно, к размерам всего устройства.

Отклонение фронта волны от идеальной плоскости в раскрыве антенны РЛС, рассчитанное по законам геометрической оптики, связано с радиусами антенны РЛС и сферы соотношением:

где
Δα - отклонение фронта волны от идеальной плоскости в угловых единицах;
r радиус антенны РЛС;
R радиус сферы.

Для имитации плоского фронта волны в раскрыве антенны РЛС с погрешностью не превышающей 0,5^o эти радиусы должны удовлетворять условию R≥4r или R≥2D, где D диаметр антенны РЛС.

Это условие относится к сферическим отражателям. Однако оно справедливо и для неглубоких сферопараболических зеркал.

Таким образом, расстояние между отражателем и антенной контролируемого объекта должно быть таким, чтобы отражатель находился в ближней зоне этой антенны, при этом указанное расстояние не должно быть меньше двух ее диаметров.

Применение отражателя в виде усеченного сферопараболического зеркала, расположенного в ближней зоне антенны контролируемого объекта, выгодно отличает предложенное устройство от прототипа, так как значительно сокращает размеры экранированного помещения БЭК и обеспечивает возможность контроля активных систем самонаведения, например, бортовых РЛС.

В результате применение этого устройства позволит снизить материальные затраты на строительство БЭК и обеспечить контроль работоспособности бортовых РЛС в полевых условиях непосредственно перед их применением.

На заводе НГАЗ "Сокол" совместно с НИАТ проведены испытания экспериментального образца устройства для имитации целей, выполненного на базе параболического отражателя.

По результатам испытаний составлен отчет от 14.12.92 г. с положительными результатами, основные из которых следующие:
1. Устройство позволяет производить отработку и контроль бортовых РЛС в малогабаритных помещениях, размеры которых уменьшены в 5-6 раз по сравнению с существующими БЭК.

2. Устройство позволяет имитировать одновременно несколько целей в пространстве и их движение по азимуту и наклону в пределах прибл. ±10^o путем перемещения облучателя или облучателей параболического зеркала в его фокальной плоскости.

Таким образом, подтверждена возможность имитации нескольких целей с помощью одного отражателя, расположенного в ближней зоне Френеля антенны контролируемой РЛС.

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использован для испытания и контроля бортовых РЛС, например самолетных РЛС перехвата и прицеливания. Устройство для имитации целей содержит безэховую камеру (БЭК), отражатель, расположенный у одной из торцевых стенок БЭК, облучатель, установленный в фокусе отражателя, соединенный с выходом имитатора эхо-сигналов цели, антенна контролируемого объекта, например, бортовой РЛС, вставленная в отверстие на противоположной торцевой стенке БЭК, и контролируемую РЛС. Отличие состоит в том, что отражатель выполнен в виде усеченного сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружности, и облучатель или ряд облучателей при одновременной имитации нескольких целей расположены на половине радиуса дуги окружности, образованной фокусами парабол, при этом каждый облучатель соединен со своим имитатором эхо-сигнала, отражатель установлен в ближней зоне антенны контролируемой РЛС и ориентирован относительно этой антенны таким образом, что его вертикальная ось проходит через центр антенны РЛС. 2 ил.

Устройство для имитации целей, содержащее безэховую камеру (БЭК), отражатель, расположенный у одной из торцевых стенок БЭК, облучатель, установленный в фокусе отражателя и соединенный с выходом имитатора эхо-сигналов цели, антенну контролируемой бортовой радиолокационной станции (РЛС), вставленную в отверстие на противоположной торцевой стенке БЭК и контролируемую РЛС, отличающееся тем, что отражатель выполнен в виде усеченного сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружностей, а в вертикальных параболы, фокусы которых расположены на половине радиуса дуги окружности, облучатель или ряд облучателей при одновременной имитации нескольких целей расположены на дуге окружности, образованной фокусами парабол, при этом каждый облучатель соединен со своим имитатором эхо-сигнала, отражатель установлен в ближней зоне антенны контролируемой РЛС и ориентирован относительно этой антенны таким образом, что его вертикальная ось проходит через ее центр.