ПАССИВНЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ (ЕГО ВАРИАНТЫ) И ПЛАВУЧИЙ НАВИГАЦИОННЫЙ ЗНАК Российский патент 1999 года по МПК H01Q15/18 H01Q1/34 

Изобретения относятся к средствам навигации и судовождения с применением радиолокационной техники.

Пассивные радиолокационные отражатели (ПРЛО) используются в навигации для увеличения дальности обнаружения объектов, в том числе навигационных знаков, на которых они установлены.

Среди известных отражателей наибольшее применение в навигации получили ПРЛО уголкового типа [1, 2], выполненные в виде прямоугольных тетраэдров. Уголковые отражатели обладают способностью хорошо отражать радиосигналы в том направлении, откуда они посланы. Однако было отмечено, что дальность обнаружения объектов, оборудованных указанными ПРЛО, зависит от положения объектов в вертикальной плоскости. При наклоне или колебаниях объектов с отражателями отражающая способность последних уменьшается из-за узкого вертикального сектора отражения уголковых отражателей. В свою очередь узкий горизонтальный сектор отражения уголковых отражателей требует, для обеспечения всенаправленного отражения, установки нескольких (не менее 6 - 8) отдельных отражателей, что увеличивает массу объекта и соответственно уменьшает его устойчивость.

В настоящее время плавучие навигационные знаки оборудуют преимущественно ПРЛО уголкового типа. Реже используют линзовые отражатели - отражатели Люнсберга, Итона и т. д. [3], которые по сравнению с рассмотренными выше значительно сложнее в изготовлении и проигрывают в стоимости и массе.

Среди известных аналогов наиболее близким к заявляемому отражателю по технической сущности является ПРЛО сферического типа [4]. Указанный отражатель выполнен в виде отражающей полусферы с радиусом R₁, на расстоянии R_1/2 от центра которой размещен металлический шарик с радиусом R₂ << R₁. Шарик фокусирует отраженные от полусферы сигналы, которые, отражаясь от него в направлении полусферы, вновь, отражаются последней, создавая обратный фронт волны.

Рассмотренный отражатель не нашел применения в радиолокационной технике из-за узкого сектора отражения в горизонтальной и вертикальной плоскостях и малой эффективной площади отражения (эпр), что является следствием смещения фокуса отражателя при отклонении фронта волны от нормали.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение и его вариант, является увеличение ЭПР пассивного радиолокационного отражателя при одновременном увеличении сектора его отражения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Для решения задачи по первому варианту в ПРЛО, выполненном в виде полусферы радиусом R₁ с электропроводными поверхностями, в отличие от прототипа, внутри полусферы концентрично и электрически изолировано от нее закреплена дополнительная полусфера радиуса R₂ < R₁ с электропроводными поверхностями с образованием радиопрозрачной среды между указанными полусферами, при этом


где ΔR - ширина радиопрозрачной среды;
n₁ - целое число, большее 1;
n₂ - целое число, большее 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС.

Для решения задачи по второму варианту в ПРЛО, выполненном в виде полусферы с электропроводными поверхностями радиусом R₁, в отличие от прототипа, полусфера выполнена из радиопрозрачного материала толщиной ΔR, при этом


где R₁ - радиус внешней поверхности полусферы;
R₂ - радиус с внутренней поверхности;
n₁ - целое число, большее 1;
n₂ - целое число, большее 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен ПРЛО, выполненный по первому варианту, на фиг. 2 - ПРЛО по второму варианту.

Отражатель, изображенный на фиг. 1, выполнен из двух металлических полусфер 1 и 2 с радиусами R₁ и R₂ соответственно, жестко соединенных между собой конструктивными элементами 3 из любого непроводящего материала. Полусферы 1 и 2 расположены соосно одна в другой и образуют полость шириной ΔR, прозрачную для радиосигнала.

На фиг. 2 изображен отражатель по второму варианту. Он выполнен в виде полусферы 4 из радиопрозрачного материала (например, из пенопласта) толщиной ΔR. Наружная поверхность полусферы с радиусом R₁ и внутренняя - с радиусом R₂ металлизированы. В качестве покрытия 5, 6 может быть использована тонкая алюминиевая фольга, наклеенная на указанные поверхности полусферы, или металлическая пленка, нанесенная на поверхности методом напыления или наплавления.

В предлагаемом отражателе (в его первом и втором исполнении) используется явление теневого рассеянного поля, возникающего в результате обтекания поверхностными токами тел из электропроводного материала со сферическими поверхностными, при их облучении СВЧ энергией. Теневое поле, образующееся за облучаемой поверхностью, суммируется в узком секторе Δψ, который тем уже, чем больше радиус тела.

Явление теневого рассеянного поля достаточно известно из источников научно-технической информации, однако в радиолокации оно не нашло применения. В настоящем изобретении указанный эффект используется с целью усиления отраженного радиолокационного сигнала, для чего предлагается развернуть теневое поле от облучаемой полусферы (с радиусом R₂) в направлении облучающей РЛС. Разворот поля на 180^o обеспечивается за счет установки на пути его распространения дополнительной отражающей сферической поверхности с радиусом R₁ > R₂. Отраженное полусферой R₁ теневое поле "обтекает" наружную поверхность полусферы R₂ и создает вторичное теневое поле от полусферы R₂, направленное в сторону облучающей РЛС, т.е. в направлении отраженного радиосигнала. Фактически в создании отраженного ПРЛО сигнала участвуют несколько полей:
- вторичное теневое поле от полусферы R₂,
- поле, отраженное от внутренней поверхности полусферы R₂, при облучении ее РЛС,
- поле, образованное в результате облучения РЛС внутренней незатененной поверхности полусферы R₁.

Из этих полей основной вклад вносит вторичное теневое поле от полусферы R₂, ЭПР которого определяется из выражения:

Как показали испытания заявляемого отражателя, ЭПР вторичного теневого поля от полусферы R₂ соизмеримо с полем, отраженным от ее внутренней поверхности, которое составляет:

Однако для того, чтобы вторичное поле усиливало поле первично отраженного сигнала, необходимо, чтобы поля совпадали по фазе, для чего должно быть выполнено условие, при котором разность ходов поверхностных токов полей была бы равна нулю или целому числу длин волн. С учетом этого условия величина R₂ должна выбираться из выражения:

где λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона РЛС;
n₂ - целое число, большее трех,
а ширина радиопрозрачной среды ΔR - из выражения

где n₁ - целое число, большее единицы.

При выполнении указанного условия все составляющие суммарного поля будут приходить к антенне облучающей РЛС в фазе и ЭПР отражателя будет максимальной, стремящейся к

Приведенные выражения позволяют определить оптимальные размеры отражателя с учетом заданного волнового диапазона.

В предлагаемом отражателе за счет использования эффекта рассеянного теневого поля значительно по сравнению с прототипом повышается сектор отражения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Величина сектора определяется на основании зависимостей геометрической оптики.

С учетом конструкции отражателя она соответствует

В зависимости от соотношения колеблется в пределах 70 - 80^o и может быть выше.

Работоспособность отражателя и эффект, получаемый от его использования были подтверждены результатами моделирования и испытаний.

Опытные образцы отражателя (по первому и второму вариантам) были изготовлены на предприятии-заявителе и испытаны в лабораторных и натурных (полигонных) условиях. Результаты испытаний отражателей в комплекте с навигационными знаками показали следующей технический результат:
- широкий сектор отражений в горизонтальной и вертикальной плоскостях (70 - 80^o)
- высокую ЭПР (в 2 - 4 раза превосходящую ЭПР равновеликого уголкового отражателя с треугольными гранями. При этом под равновеликим ТУО понимается уголковый отражатель, вписанный в полусферу радиуса R₁ и имеющий размер грани
К дополнительным преимуществам предлагаемого отражателя, особенно это касается второго варианта, следует отнести его малую массу (m ≈ 100 г при технологичность (изделие изготавливается из пенополиуритана в пресс-форме с одновременной металлизацией фольгой); простоту конструкции.

Указанные достоинства выгодно отличают предлагаемый ПРЛО от применяемых в навигации аналогов и позволяют его широко использовать в этой области. В частности на базе ПРЛО, выполненном в виде сферического отражателя, предлагается создать плавучий навигационный знак с повышенной радиозаметностью и устойчивостью к крену и качке.

На дату подачи заявки известны плавучие навигационные знаки в виде поплавков, выполненных из пенопласта [5] в виде полых корпусов цилиндрической, конической и сферической формы [6].

Известны также навигационные знаки, обладающие по сравнению с указанными выше аналогами, большей вероятностью обнаружения, за счет использования в них светосигнального оборудования [7] и пассивных [8] и активных [9] радиолокационных устройств всенаправленного действия.

Среди известных аналогов наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и назначению является плавучий навигационный знак, разработанный английской фирмой Firdell Multiflector [10]. Устройство состоит из пассивного радиолокационного отражателя (ПРЛО) всенаправленного отражения в горизонтальной плоскости, закрепленного вертикально в буе на высоте ≈ 4,0 м над уровнем моря, и топовой фигуры сферической, конической или цилиндрической формы, размещенной в верхней точке вертикальной штанги на высоте ≈ 6,0 м. Конструктивно ПРЛО выполнен в виде многоярусной кольцевой решетки, составленной из расположенных один над другим с поворотом на 30^o отдельных двухгранных уголковых отражателей. ПРЛО обеспечивает всенаправленное отражение в горизонтальной плоскости и ограниченное (± 15^o) - в вертикальной. Топовая фигура по форме и цвету соответствует требованиям "Системы ограждения МАМС (международной ассоциации маячных служб)" и выполнена с водостойким покрытием.

Результаты испытаний плавучих навигационных знаков с уголковыми отражателями показали их относительно высокую радиолокационную заметность. Но при этом было отмечено, что на характеристики этих отражателей в сильной степени влияют погодные условия. Кроме того, большое воздействие оказывает сама морская поверхность, создающая отражение электромагнитных волн и вносящая искажения в применяемый РЛС сигнал.

Особенно это сказывается при качке и крене навигационного знака, когда на вид отраженного сигнала влияет не только собственная диаграмма ЭПР отражателя, но и его перемещение по высоте.

Для уменьшения помех от моря и для увеличения радиозаметности навигационных знаков известные фирмы-изготовители прибегают к традиционному способу - увеличению высоты установки отражателей и их размеров. Однако такое решение при имеющейся конструкции навигационного знака неизбежно привело бы к его неустойчивости, особенно при ветре и волнении, и, следовательно, к искажению или потере отраженного сигнала из-за узкой диаграммы ЭПР уголковых отражателей в вертикальной плоскости.

Разработка предлагаемого устройства была вызвана необходимостью создания плавучих навигационных знаков, обладающих дальностью обнаружения не менее 3,5 миль при ветре и волнении до 4 баллов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение по сравнению с прототипом дальности обнаружения навигационного знака за счет возможности увеличения высоты установки радиолокационного отражателя при обеспечении устойчивости знака без изменения конструкции и массы его подводной части и путем увеличения ЭПР и расширения сектора отражения ПРЛО в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Поставленная задача решается за счет уменьшения массы надводной части плавучего навигационного знака и улучшения отражающих характеристик объекта в результате того, что в знаке, (содержащем, так же как и прототип, объемную топовую фигуру, размещенную на вершине закрепленной в буе вертикальной штанги и кольцевую решетку из отдельных пассивных радиолокационных отражателей (ПРЛО), расположенных вокруг вертикальной оси с возможностью всенаправленного отражения радиосигнала в горизонтальной плоскости) в отличие от прототипа, топовая фигура (ТФ) выполнена из радиопрозрачного материала в виде разъемной полой конструкции, а ПРЛО расположены внутри топовой фигуры, при этом каждый отдельный пассивный радиолокационный отражатель выполнен в виде полусферы, внешняя и внутренняя поверхности которой, с радиусами R₁ и R₂ соответственно, электропроводны и электроизолированы одна от другой, а область между поверхностями радиопрозрачна, в свою очередь


где ΔR - ширина радиопрозрачной области;
n₁ - целое число, большее 1;
n₂ - целое число, большее 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС.

Заявляемое устройство совмещает в одном объеме 2 конструкции: ТФ, выполняющую функции опознавательного знака и радиопрозрачного кожуха, и набор ПРЛО, обладающих улучшенными отражающими характеристиками при относительно малых весе и габаритах, что позволяет разместить их в ТФ любой штатной формы (цилиндрической, сферической и конической) и получить по сравнению с прототипом выигрыш в массе надводной части навигационного знака и в радиолокационных характеристиках. Это, в свою очередь, создает условия для увеличения высоты установки ПРЛО при сохранении устойчивости знака и, соответственно, для увеличения дальности и надежности его обнаружения. Дополнительное преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в возможности приема отраженного радиосигнала облучающей РЛС при крене и качке навигационного знака, что обеспечивается широким сектором отражения ПРЛО в вертикальной плоскости.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 3 представлена конструкция навигационного знака с топовой фигурой в виде шара, на фиг. 4 - конструкция ПРЛО (вид в плане), на фиг. 5, 6, 7, 8 - диаграммы отражения уголковых и сферических отражателей в горизонтальной (вертикальной) плоскости.

Плавучий навигационный знак состоит из топовой фигуры 7 в виде цилиндра, конуса или шара (на фиг. 3 изображено выполнение ТФ в виде шара) и пассивного радиолокационного отражателя 8, выполненного в виде 4-х отдельных отражателей, расположенных под углом 90^o друг относительно друга и обеспечивающих всенаправленное в горизонтальной плоскости отражение радиосигнала. Каждый отдельный отражатель выполнен в виде полусферы (фиг. 4), внешняя (R₁) и внутренняя (R₂) поверхности которой электропроводны и электроизолированы одна от другой, а область между поверхностями радиопрозрачна. На фиг. 4 изображен один из вариантов выполнения отражателя в виде полусферы из радиопрозрачного материала (например, пенополиуритана или пенопласта) толщиной ΔR= R₁-R₂. Поверхности R₁ и R₂ металлизированы с использованием, например, алюминиевой фольги толщиной ≈0,1 мм, наклеенной на изделие.

Отражатель может быть также изготовлен из жестких металлических полусфер (с радиусами R₁ и R₂), соосно размещенных одна в другой без электрического контакта между ними.

Топовая фигура 7 из радиопрозрачного материала (например, полистирола или полиуритана) и расположенный внутри нее ПРЛО 8 крепятся на вертикальной штанге 9 на высоте ≈ 6,5 м над уровнем моря. В свою очередь, штанга жестко закрепляется в буе.

Надводная часть навигационного знака монтируется следующим образом. Отражатели 8 закрепляются на "звездочке" 11 с помощью эпоксидного клея и шурупов. Затем "звездочка" 11 нанизывается на трубу 10 и крепится на ней (например, с помощью эпоксидной шпатлевки). Сверху и снизу на трубу 10 надеваются составные части топовой фигуры 7, которые соединяются между собой клеем и болтами, затем фиксируются на трубе и одновременно герметизируются с помощью клея или шпатлевки. Далее труба 10 крепится на штанге 9.

Работа и технический результат, полученный от использования предлагаемого устройства, иллюстрируются диаграммами отражения ПРЛО, применяемых в навигационных знаках. Так, на фиг. 5 представлены круговые диаграммы отражения отражателя сферического типа (12), имеющего размеры R₁=10,8 см, R₂=7,0 см, и трехгранного уголкового отражателя (13) с длиной грани 18 см. Из диаграмм, снятых на стенде электродинамического моделирования на частоте f=9,4 ГГц, видно, что ЭПР отражателя сферического типа примерно равна ЭПР уголкового отражателя (4,4 м²), а сектор отражения его в вертикальной и горизонтальной плоскости в 2 раза шире (≈80^o), при этом масса одного сферического отражателя составляет ≈100 г. Для сравнения в таблице 1 приведены массогабаритные параметры штатных ТФ с трехгранными уголковыми отражателями, используемыми в отечественных навигационных знаках, и параметры предлагаемого устройства.

Примечание: масса штатного H3 включает массу ТФ плюс массу ПРЛО.

Очевидно, что использование предлагаемого устройства дает по сравнению с известными аналогами выигрыш в массе в 3 - 4 раза.

На фиг. 6 изображены круговые диаграммы ПРЛО в азимутальной (горизонтальной) плоскости (позицией 14 обозначена диаграмма ПРЛО, содержащего 4 сферических отражателя, позицией 15 - диаграмма отдельного уголкового отражателя); на фиг. 7 - диаграммы отражения в угломестной (вертикальной) плоскости предлагаемого (16) и известного ПРЛО (17) (при ослаблении сигнала на 5,0 дБ), на фиг. 8 - диаграммы отражения в азимутальной плоскости штатного ПРЛО (18) и отдельного ТУО (19).

Приведенные диаграммы доказывают возможность получения указанного выше технического результата: расширение сектора отражения и увеличение ЭПР.

Опытный образец предлагаемого навигационного знака с топовой фигурой в виде цилиндра и массой 3,5 кг прошел натурные испытания, которые показали, что дальность обнаружения знака на 30 - 40% больше дальности обнаружения штатного РЛО и превышает 3,5 морских миль при выполнении на море 4 баллов и высоте установки антенны РЛС H=8,0 м.

При необходимости в габариты топовых фигур в виде шара, цилиндра или конуса стандартных размеров могут быть размещены кольцевые решетки из 4-х сферических отражателей, имеющих большие размеры, чем приведенные выше, например, R₁=12,8 см, R₂=9,6 см. ЭПР таких отражателей в 2,5 раза больше ЭПР отражателей с размерами R₁=10,8 см, R₂=7,0 см.

Предлагаемый навигационный знак разработан для использования в качестве морской вехи и может быть применен для оснащения малых судов, яхт, лодок, с целью повышения их радиолокационной заметности.

Источники информации
1. Пат. СССР N 1806431, H 01 Q 15/18 "Радиолокационный отражатель".

2. Пат. СССР N 4724436, H 01 Q 15/18 "Радиолокационный уголковый отражатель".

3. Судостроение за рубежом, N 9, 1991 г. с. 46 - 48
4. Кобак В.О. "Радиолокационные отражатели", М; Сов.радио, с. 211 - 212 - прототип
5. З-ка Великобритании N 2261407, B 63 C 9/26, "Спасательная система".

6. Пат. США N 5188551, B 63 B 22/20. "Указательный буй".

7. Пат. РФ N 2009948, B 63 B 22/22, "Сигнальный буй".

8. Пат. США N 4102296, B 63 B 45/00 "Морское сигнальное устройство".

9. Пат. США N 3191202, кл. 9 - 8 "Буй".

10. Safety at Sea, 1991 г, П, N 263,6 - прототип.

Изобретение относится к навигации и судовождению. Техническим результатом от использования предлагаемого пассивного радиолокационного отражателя является увеличение его ЭПР при одновременном увеличении сектора отражения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Результат достигается за счет выполнения ПРЛО в виде полусферы с внешней (R₁) и внутренней (R₂) электропроводными поверхностями и радиопрозрачной средой (ΔR) между ними. При этом должны быть соблюдены следующие соотношения:


При использовании предлагаемого навигационного знака достигается увеличение дальности обнаружения объекта при увеличении его устойчивости при волнении и ветре. Новым в предлагаемом устройстве (содержащем, как и прототип, топовую фигуру и отдельные ПРЛО, составляющие кольцевую решетку) является выполнение топовой фигуры в виде полой разъемной конструкции из радиопрозрачного материала, позволяющей разместить в ней ПРЛО c радиопрозрачной средой между ними. 3 с.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Пассивный радиолокационный отражатель, выполненный в виде полусферы радиуса R₁ с электропроводными поверхностями, отличающийся тем, что внутри полусферы концентрично и электрически изолированно от нее закреплена дополнительная полусфера радиуса R₂ < R₁ с электропроводными поверхностями, при этом между полусферами образована радиопрозрачная среда шириной

причем

где n₁ - целое число, больше 1;
n₂ - целое число, больше 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС. 2. Пассивный радиолокационный отражатель, выполненный в виде полусферы радиуса R₁ с электропроводными поверхностями, отличающийся тем, что полусфера выполнена из радиопрозрачного материала толщиной

причем

где R₁ - радиус внешней поверхности полусферы;
R₂ - радиус ее внутренней поверхности;
n₁ - целое число, больше 1;
n₂ - целое число, больше 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС. 3. Плавучий навигационный знак, содержащий объемную топовую фигуру, размещенную на вершине, закрепленной в буе вертикальной штанги, и кольцевую решетку из отдельных пассивных радиолокационных отражателей (ПРЛО), расположенных вокруг вертикальной оси с возможностью всенаправленного отражения радиосигнала в горизонтальной плоскости, отличающийся тем, что топовая фигура выполнена из радиопрозрачного материала в виде разъемной полой конструкции, а ПРЛО расположены внутри топовой фигуры, при этом каждый отдельный ПРЛО выполнен в виде полусферы, внешняя и внутренняя поверхности которой с радиусами R₁ и R₂ соответственно электропроводны и электроизолированы одна от другой, а область между поверхностями радиопрозрачна, в свою очередь,


где ΔR - ширина радиопрозрачной области;
n₁ - целое число, больше 1;
n₂ - целое число, больше 3;
λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона облучающей РЛС.