УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЦЕЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01R29/10 G01S7/40 

Изобретение относится к области СВЧ техники и может быть использовано для испытаний и контроля радиолокационных станций (РЛС) в малогабаритных помещениях.

Известны имитаторы цели, работающие на принципе ретрансляции зондирующего сигнала РЛС: патенты США N 3142059, N 3216014, N 3329953, N 4517519, патент ПНР N 54810, а.с. СССР N 196094, N 1742984.

Такие имитаторы, содержащие приемопередающую антенну, связанную с устройством, имитирующим эхосигнал цели, являются, как правило, пассивными и автономными, т. е. не имеющими электрических связей с испытуемым объектом. Они принимают своей антенной зондирующий сигнал РЛС, трансформируют его в соответствии с заданными характеристиками эхосигнала (создают необходимый допплеровский сдвиг частоты, временную задержку, "колиброванную" мощность и т.д. ) и через ту же антенну переизлучают этот сигнал в направлении испытуемой РЛС.

Для радиомаскировки РЛС, защиты ее от помех и экологической защиты окружающей среды имитатор или его антенна, как правило, устанавливаются 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 испытуемой РЛС.

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

Известны также устройства, в которых решена проблема имитации нескольких целей и их движение в пространстве.

К ним относятся, например,
устройство, представляющее из себя БЭК, на торцевых стенках которой установлены "матрицы целей", состоящие из большого количества излучателей, при этом угловое движение целей достигается смещением фазового центра на поверхности матриц целей (см. М. Ю. Мицмакер, В.А. Торгованов "Безэховые камеры СВЧ". - М.: Радиосвязь, 1982, с. 18-19),
а также устройство, патент N 4521780 США, в котором применен большой эллиптический отражатель, установленный в дальней зоне антенны испытуемого объекта, находящейся в одном из фокусов эллипсоида, в то время как во втором фокусе расположен изучающий элемент в виде многолучевой антенны. Многолучевая антенна 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 от отдельной цели.

Если в этих условиях решена проблема имитации нескольких целей и их движения в пространстве, то первый недостаток, а именно большие размеры испытательных камер БЭК, продолжает иметь место.

Наиболее близким по своей сущности к изобретению является устройство (заявка N 94004191 с положительным решением от 6 августа 1996 года, взятое нами на прототип), в котором проблема уменьшения размеров БЭК решена путем применения сферопараболического отражателя (коллиматора), установленного в ближней зоне антенны испытуемой РЛС.

Устройство содержит безэховую камеру, отражатель, облучатель, имитаторы эхосигналов цели, антенну испытуемой РЛС и бортовую РЛС. Отражатель расположен у одной из торцевых стенок БЭК в ближней зоне (зоне Френеля) антенны РЛС, которая установлена в отверстие на другой торцевой стенке БЭК.

Отражатель выполнен в виде усеченного снизу сферопараболического зеркала, профиль которого в горизонтальных плоскостях представляет собой дуги окружностей, а в вертикальных плоскостях - параболы, фокусы которых расположены на половине радиуса дуги окружности (т.е. на фокальной дуге). Отражатель ориентирован относительно антенны РЛС таким образом, что его вертикальная ось проходит через центр антенны РЛС. Облучатель или ряд облучателей при одновременной имитации нескольких целей расположены на дуге окружности, образованной фокусами парабол. Каждый облучатель соединен со своим имитатором эхосигнала. Имитаторы эхосигнала известны и выбираются в соответствии с типом испытуемой РЛС.

В этом устройстве Э.М. (электромагнитная) волна зондирующего сигнала РЛС падает на сферопараболический отражатель, отражается от него, фокусируется и поступает на вход одного из облучателей. Принятый облучателем сигнал поступает на известный имитатор эхосигнала цели, который преобразует его в сигнал, близкий по своим характеристикам к реальному эхосигналу и излучает его через тот же облучатель в направлении отражателя. Отражатель трансформирует сферическую волну облучателя в квазиплоскую волну и посылает ее в направлении испытуемой РЛС, имитируя тем самым бесконечно-удаленную цель.

Имитация нескольких целей с различными угловыми позициями обеспечивается несколькими облучателями, расположенными на фокальной дуге отражателя, а движение - путем их перемещения по фокальной дуге.

Если в азимутальной плоскости устройство является достаточно широкоугольным, т.е. позволяет имитировать цели в пределах угла ≈ 120^o, то в угломестной плоскости - только практически - в пределах ≈ 10^o.

Это объясняется тем, что парабола имеет только один фокус и сканирование луча в угломестной плоскости путем смещения облучателя из фокуса по вертикали без искажения фронта волны возможно только в ограниченных пределах.

Этот недостаток сужает область применения указанного имитатора, так как он не может быть применен для РЛС, имеющих широкоугольную зону обзора и сопровождения в угломестной плоскости.

Целью изобретения является расширение зоны имитации цели в угломестной плоскости и, как следствие, расширение области применения имитатора.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее безэховую камеру (БЭК), испытуемую РЛС, антенну испытуемой РЛС, вставленную в отверстие одной из стенок БЭК, имитатор эхосигналов цели или ряд имитаторов эхосигнала цели, при одновременной имитации нескольких целей, облучатель или ряд облучателей, соединенных каждый со своим имитатором эхосигнала, введены две сферические антенны и кабели передачи СВЧ, при этом сферические поверхности антенны идентичны и представляют из себя решетку рупоров, причем каждый рупор первой антенны соединен с соответствующим рупором второй антенны с помощью кабелей передачи СВЧ, электрическая длина которых одинакова, облучатели расположены на параксиальной фокальной поверхности второй сферической антенны, а первая сферическая антенна обращена своими рупорами в сторону антенны испытуемой РЛС, расположена в ее ближней зоне и ориентирована так, что центр ее сферы совпадает с центром антенны РЛС.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит безэховую камеру 1, испытуемую РЛС-2, антенну РЛС-3, облучатель, (облучатели) 4, имитатор эхосигналов цели (имитаторы) 5, первую сферическую антенну 6 (с поверхностью E1), вторую сферическую антенну (с поверхностью E2) 7, кабели передачи СВЧ-8. При этом антенна РЛС-3 вставлена в отверстие одной из стенок безэховой камеры 1. Первая сферическая антенна 6 своим раскрывом установлена в сторону антенны РЛС-3 и расположена в ее ближней зоне, а вторая сферическая антенна 7 развернута в противоположном направлении. Обе антенны идентичны и выполнены в виде решетки рупоров, причем каждый рупор первой сферической антенны 6 соединен с соответствующим рупором второй сферической антенны 7 с помощью кабелей передачи СВЧ-8. Облучатель или ряд облучателей 4 расположены на параксиальной фокальной поверхности второй сферической антенны 7 и соединены каждый со своим имитатором эхосигналов 5.

Устройство работает следующим образом.

Плоская волна зондирующего сигнала РЛС 2, излучаемая антенной РЛС-3, падает на поверхность E1 первой сферической антенны 6. Если бы эта поверхность выполняла функцию отражателя, то имела бы приближенную фокальную поверхность, концентрическую поверхность E1 с радиусом ≈ R/2, где R - радиус сферы (т. е. параксиальную фокальную поверхность). Однако поверхность E1 не является отражателем, и падающее на нее облучение передается с сохранением амплитуды и фазы, через приемные рупоры поверхности E1, первой сферической антенны 6 и кабели передачи СВЧ-8, на излучающие рупоры поверхности E2 второй сферической антенны 7. Поверхность E2 второй сферической антенны 7 фокусирует излучение в точку, находящуюся на параксиальной фокальной поверхности второй сферической антенны 7. Этот сигнал принимается одним из облучателей 4, расположенным на указанной фокальной поверхности, и поступает на вход связанного с ним имитатора эхосигнала 5. Имитатор эхосигнала 5 преобразует зондирующий сигнал РЛС 3 таким образом, что его характеристики становятся близкими к характеристикам реального эхосигнала (т.е. создает необходимый допплеровский сдвиг частоты, временную задержку, нормированную мощность и т. д. ) и излучает его через тот же облучатель 4 в направлении поверхности E2 второй сферической антенны 7. Если бы эта поверхность была отражающей, то отраженная этой поверхностью E2 квази-плоская волна проходила через центр сферы второй сферической антенн 7. Поверхность E2 не является отражающей, поэтому принятое поверхностью E2 излучение, соответствующее плоской волне, с сохранением амплитуды и фазы через кабели передачи СВЧ-8 передается на поверхность E1 первой сферической антенны 6, которая излучает эту плоскую волну в направлении антенны РЛС-3.

Так как первая сферическая антенна 6 расположена в ближней зоне антенны РЛС-3 и ориентирована так, что центр ее сферы совпадает с центром антенны РЛС-3, то плоская волна в апертуре антенны РЛС-3 имитирует бесконечно-удаленную цель, находящуюся в пространстве в угловой позиции, соответствующей угловой позиции облучателя 4.

Движение цели в пространстве создается перемещением облучателя 4 по фокальной (параксиальной) поверхности второй сферической антенны 7.

Имитация нескольких целей с различными угловыми позициями обеспечивается несколькими однотипными облучателями, расположенными на фокальной поверхности.

Устройство симметрично и позволяет имитировать цели в секторе 120^o как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях.

Следует отметить, что предложенное устройство может имитировать цели не только когда РЛС работает в режиме "излучение-прием", но и в случае, когда РЛС работает только "на прием" (например, при выключенном излучении или при переводе РЛС в режим эквивалента антенны).

В этом случае в качестве имитаторов 5 целесообразно использовать активные имитаторы эхосигналов генерирующие сигналы, синхронно связанные с РЛС.

Обоснование изобретение. Расчет размеров сферических коллиматоров.

Известно, что для имитации эхосигнала от бесконечно удаленной цели необходимо создать в раскрыве антенны РЛС плоский фронт ЭМ волны, перпендикулярный направлению на имитируемую цель. Это достигается либо путем удаления точечного источника излучения, например 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 испытуемой 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.

Для имитации нескольких целей в коллиматорной антенне необходимо создать веерную диаграмму направленности, имеющую несколько порциальных лучей, каждый из которых имитирует бесконечно удаленную цель.

Параболическая антенна создает веер порциальных диаграмм, если облучателей несколько и они смещены из фокуса на различные расстояния (в плоскости, перпендикулярной оси антенны).

Однако при смещении облучателя из фокуса параболической антенны происходит расфокусировка, вследствие чего искажается фронт волны и уменьшается коэффициент усиления антенны. Этот недостаток ограничивает пределы имитации целей по "углу" практически до ≈ 10^o.

Этот недостаток параболических антенн устраняется в сферических антеннах. В такой антенне возможно осуществление сканирования луча (следовательно, и получение нескольких целей при использовании ее в качестве коллиматора в ближней зоне) в пределах широкого сектора углов ≈ 120^o в обеих плоскостях без искажения диаграммы направленности сферического коллиматора. Эта возможность обусловлена тем, что сферическая антенна имеет не единственный фокус, а множество "параксиальных" фокусов, образующих параксиальную сферическую фокальную поверхность с радиусом, равным половине радиуса R сферической поверхности антенны (Справочник по радиолокации. /Под редакцией М. Сколника, том 2. М.: Светское радио, 1977, с. 116.

Однако сферические антенны имеют другой недостаток: в них в принципе нельзя избежать теневого влияния облучателя и реакцию зеркала на облучатель, так как посланный облучателем сигнал вдоль радиуса сферы после отражения от ее поверхности всегда проходит через облучатель и центр сферы.

Эта проблема частично решена в устройстве А.З. N 94004191 (наш прототип), в котором для устранения указанного недостатка применен коллиматор в виде усеченного сферопараболического зеркала.

Наличие параболического профиля в устройстве позволило устранить этот недостаток ценой уменьшения зоны имитации цели в угломестной плоскости.

В предлагаемом устройстве теневое влияние облучателя и реакция зеркал на облучатель устранены путем введения двух сферических антенн с неотражающими ("проходными") поверхностями, связанными кабелями передачи, что позволило вывести облучатели из зоны "коллимирования". В результате это позволило обеспечить широкую зону имитации целей симметрично в обеих плоскостях.

Многолучевые антенные системы, состоящие из двух сферических антенн с неотражающими ("проходными") поверхностями, связанными кабелями передачи, известны и применяются, например, в РЛС многолучевого типа, предназначенных для определения высоты целей в системе управления воздушным движением (Справочник по радиолокации. /Под редакцией Сколника. М.: Советское радио, 1977, т. 2, с. 203 - 205. Однако каких-либо сведений о применении подобных систем в качестве коллиматорных устройств для испытаний и контроля РЛС в малогабаритных помещениях в литературе не имеется.

При расчете размеров сферических антенн, примененных в предложенном имитаторе целей, надо учесть то обстоятельство, что сферическая антенна не преобразует сферический волновой фронт, излучаемый из параксиальной фокальной точки, в плоский. Плоский фронт с допустимой фазовой ошибкой у этих антенн можно получить только с ограниченной части сферической поверхности, которая обычно называется "освещаемой" апертурой сферической антенны. Это объясняется явлением сферической аберрации, присущим лишь сферическим зеркалам. Если максимально допустимая фазовая ошибка по апертуре соответствует разности хода δ. то максимальный радиус апертуры a при расположении облучателя в параксиальном фокусе равен
(a/R)4max

При использовании коллиматора со сферической поверхностью, центр которой совмещен с центром антенны РЛС, диаметр освещаемой апертуры коллиматора должен быть больше диаметра антенны РЛС, чтобы плоский фронт "коллимированной" волны перекрывал апертуру антенны РЛС.

Целесообразно иметь
a = 1,3 - 1,5 ч, (2)
где
r - радиус антенны РЛС.

Пример.

Пусть r = 25 см, допустимая фазовая ошибка ,
длина волны λ = 3 см, a = 1,5 ч.

Необходимо определить минимально допустимый радиус сферического профиля коллиматорной антенны R, чтобы фазовая ошибка в аппертуре антенны испытуемой РЛС не превышала заданную: .

Согласно (1) и (2)

При R > 125 см фазовая ошибка в апертуре антенны РЛС с радиусом r = 25 см будет с гарантией меньше допустимой величины . Однако из экономических соображений, чтобы не делать устройство громоздким, достаточно взять коллиматор с радиусом R = R_min = 125 см не более.

Таким образом, в данном примере радиус каждой сферической антенны должен быть R = 125 см.

Устройство для имитации целей содержит безэховую камеру (БЭК), испытуемую радиолокационную станцию (РЛС), антенну испытуемой РЛС, установленную в отверстии одной из стенок БЭК, имитатор или ряд имитаторов эхосигналов цели при одновременной имитации нескольких целей, облучатель или ряд облучателей, соединенных каждый со своим имитатором эхосигнала, две сферические антенны и кабели передачи сверхвысокой частоты, причем сферические поверхности каждой антенны идентичны и выполнены в виде решетки рупоров, каждый рупор первой антенны соединен с соответствующим рупором второй антенны с помощью кабелей передачи, электрические длины которых равны. Облучатели расположены на параксиальной фокальной поверхности второй сферической антенны, а первая сферическая антенна обращена своими рупорами в сторону антенны испытуемой РЛС, расположена в ее ближней зоне и ориентирована таким образом, что центр ее сферы совпадает с центром антенны РЛС. Технический результат заключается в расширении зоны имитации цели в угломестной плоскости и, как следствие, расширении области применения имитатора. Устройство может быть использовано для испытаний и контроля радиолакационных станций (РЛС) в малогабаритных помещениях. 1 ил.

Устройство для имитации целей, содержащее базэховую камеру (БЭК), испытуемую радиолокационную станцию (РЛС), антенну испытуемой РЛС, установленную в отверстии одной из стенок БЭК, имитатор или ряд имитаторов эхо-сигналов цели при одновременной имитации нескольких целей, облучатель или ряд облучателей, соединенных каждый со своим имитатором эхо-сигнала, отличающееся тем, что оно содержит две сферические антенны и кабели передачи сверхвысокой частоты (СВЧ), при этом сферические поверхности каждой антенны идентичны и выполнены в виде решетки рупоров, причем каждый рупор первой антенны соединен с соответствующим рупором второй антенны с помощью кабелей передачи, электрические длины которых равны, облучатели расположены на параксиальной фокальной поверхности второй сферической антенны, а первая сферическая антенна обращена своими рупорами в сторону антенны испытуемой РЛС, расположена в ее ближней зоне и ориентирована таким образом, что центр ее сферы совпадает с центром антенны РЛС.