АВИАЦИОННАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА БОКОВОГО ОБЗОРА ЗЕМЛИ Российский патент 2001 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к радиолокации, более конкретно - к бортовым системам радиолокационного обзора Земли, устанавливаемым на авиационных носителях (самолетах, вертолетах).

Для обеспечения высокого пространственного разрешения в авиационных системах радиолокационного обзора Земли часто используются радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА). Конструкция таких РСА описана, в частности, в разделах 4 - 7 книги "Радиолокационные станции обзора Земли" Г. Кондратенков и др. М. , Радио и связь, 1983. При бортовой обработке сигналов РСА имеет структуру, показанную на рис. 6.1 указанной книги. В состав РСА входит антенна, ось диаграммы направленности которой обычно ориентирована в боковом или передне-боковом направлении относительно оси носителя, приемопередатчик и другие приборы. Когда РСА является штатной системой для данного летательного аппарата, обычно антенна устанавливается в специальный контейнер или встраивается в фюзеляж и закрывается обтекателем, обеспечивающим защиту антенны от внешних климатических, механических и других воздействий. Такой обтекатель чаще всего изготавливают из радиопрозрачного материала с небольшой плотностью и диэлектрической проницаемостью.

Примером конкретной реализации является система AN/APD-11 для самолетов-разведчиков RF-4C и RF-4E (см. раздел 9 и рис.9.6 книги "Радиолокационные станции воздушной разведки". Под ред. Г. Кондратенкова. - М., Воениздат, 1983). Эта система имеет антенны, закрытые радиопрозрачными обтекателями, две из них расположены внутри фюзеляжа (для использования на малых высотах полета), еще две - в специальном подвесном контейнере (для использования на большой высоте полета). Приемопередатчик и регистратор размещены внутри фюзеляжа самолета (корпуса носителя). Радиолокационная информация может сохраняться на борту самолета в регистраторе или передаваться на землю по радиолинии передачи данных. Операция формирования изображения и его отображения осуществляется на наземном оборудований.

В статье Т. Г. Мусинянца и И.С. Неймана "Small-size synthetic aperture radar "Compact" в сборнике "Proceedings of the Third International Airborn Remote Sensing Conference and Exhibition", 7-10 July 1997, Copenhagen, Denmark, стр. 158 - 164, том 2 указана возможность работы РСА через штатный иллюминатор самолета. При этом уменьшается трудоемкость и продолжительность работ по установке РСА на авиационный носитель, а также исключается необходимость доработки конструкции корпуса (фюзеляжа) носителя и изготовления радиопрозрачного обтекателя. На рис.1 упомянутой статьи приведена структурная схема РСА на авиационном носителе. Именно такая система принята в качестве прототипа данного предложения. Итак, прототип имеет следующий вид: авиационный носитель с установленным в фюзеляже иллюминатором и установленная перед иллюминатором антенна, соединенная с приемопередатчиком, выход которого подключен к входу регистратора РСА. В таком варианте установка РСА на авиационный носитель занимает всего один - два часа времени. Никаких доработок конструкции корпуса носителя не требуется. Возможность работы РСА через иллюминатор основана на том, что в последнее время в ряде образцов РСА пространственное разрешение повысилось до уровня порядка метра. Соответственно уменьшились и размеры антенны РСА, вплоть до размера, соизмеримого с размером штатного иллюминатора самолета (вертолета). При этом антенна РСА устанавливается напротив иллюминатора, а остальные приборы РСА устанавливаются в любом удобном месте салона. Однако при реализации такого подхода выявилось, что при прохождении сигнала через иллюминатор может иметь место значительное его ослабление - до 3-4 дБ и более в одну сторону (6-8 дБ в две стороны). Настоящим предложением решается задача уменьшения ослабления сигнала РСА при его работе через иллюминатор авиационного носителя. Экспериментальные исследования показали, что это ослабление обусловлено в основном отражениями от стекол иллюминатора, а не диссипативными (омическими) потерями в них. Поэтому принципиально существует возможность снизить ослабление сигнала при прохождении его через иллюминатор за счет согласования антенны со стеклами иллюминатора. Решение технической задачи при работе РСА через штатный иллюминатор авиационного носителя осуществляется путем устранения этих отражений с помощью согласующего устройства.

Итак, для решения технической задачи в авиационной радиолокационной системе бокового обзора Земли, включающей радиолокатор с синтезированной апертурой, установленный на авиационном носителе, содержащий антенну, установленную перед иллюминатором, имеющим m стекол, и соединенную с приемопередатчиком, выход которого соединен с входом регистратора, между антенной и иллюминатором установлено дополнительно введенное согласующее устройство, имеющее m стекол с той же, что у стекол иллюминатора кривизной поверхности, и с такой толщиной каждого из них, чтобы суммарный набег фазы в соответствующих стеклах иллюминатора и согласующего устройства был кратен π а каждое стекло согласующего устройства установлено на таком расстоянии от соответствующего стекла иллюминатора, чтобы суммарный набег фазы в промежуточных между ними стеклах и воздушных промежутках тоже был кратен π.

На структурной схеме предлагаемого устройства обозначено:
1 - авиационный носитель,
2 - антенна,
3 - приемопередатчик,
4 - регистратор,
5 - иллюминатор со стеклами (5-1 ... 5-m),
6 - согласующее устройство со стеклами (6-1 ... 6-m).

Антенна (2) установлена перед иллюминатором (5) со стеклами (5-1 ... 5-m) носителя (1) и соединена с приемопередатчиком (3), выход которого соединен с входом регистратора (4), а согласующее устройство (6) со стеклами (6-1 ... 6-m) установлено между раскрывом антенны (2) и иллюминатором (5).

Реализация предлагаемого устройства наиболее целесообразна с использованием согласующего устройства, построенного на следующем, принципе, учитывающем то, что стекла штатного иллюминатора могут иметь разную толщину и кривизну поверхности. Расстояние между стеклами может быть разным на разных типах самолетов.

Каждое из стекол 5-1 ... 5-m и 6-1 ... 6-m создает свою величину Φ - набег фазы на пути распространения сигнала РСА, определяемую зависимостью (см. стр. 29 книги: Д. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ, М., "Высшая школа", 1988) вида Φ = 2 π d/ λ_в,
где d - длина пути,
λ_в - длина волны сигнала в среде распространения.

На стр. 259 той же книги указано, что
где λ - длина волны сигнала в свободном пространстве,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды распространения сигнала (для оргстекла, обычно применяемого для этой цели, равна 3,1: для, воздуха равна 1). Из этих соотношений следует, что набег фазы можно определить по формуле
. (1)
Если набег фазы задан, то можно определить соответствующую ему длину пути по формуле
, (2)
производной от формулы (1).

Известно, что для того, чтобы потери сигнала в любом радиопрозрачном элементе, будь то обтекатель или стекло иллюминатора, были минимальными, нужно выбрать его толщину d так, чтобы выполнялось условие, указанное в формуле 1 раздела 7.2 книги "Справочник по радиолокации". Перевод под редакцией П. Дудника. М. , "Сов. Радио", 1977, том 2, при нормальном падении волны имеющее следующий вид:

где n - целое положительное число, включая 0.

Подставляя последнее выражение в формулу (1), получим Φ = πn. Это означает, что набег фазы сигнала в каждом стекле иллюминатора в оптимальном варианте должен быть кратен π.

В реальных авиационных носителях это условие обычно не выполняется. Именно поэтому возникают потери сигнала РСА при попытке работать через штатный иллюминатор авиационного носителя.

Для подавления отражений от стекла 5-1 иллюминатора в состав согласующего устройства включают стекло 6-1, имеющего такую же кривизну поверхности, как и стекло 5-1 штатного иллюминатора. Толщину стекла 6-1 выбирают из расчета достижения суммой набегов фазы в стеклах 5-1 и 6-1 условия кратности π. Расстояние между стеклами 5-1 и 6-1 также должно быть таким, чтобы сумма набегов фазы на пути между ними тоже была кратна π. При этом нужно учитывать не только стекла, но и воздушные промежутки, причем каждый элемент со своей величиной ε для оргстекла равной 3,1; для воздуха равной 1). Толщину стекла 6-2 выбирают из расчета выполнения суммой набегов фазы в стеклах 5-2 и 6-2) условия кратности π. Расстояние между стеклами 5-2 и 6-2 должно также соответствовать этому условию, но с учетом стекол и воздушных промежутков между ними. Так же выбирают толщину последующих стекол, если m больше двух.

Приведем примеры конструирования согласующего устройства. Примем, что иллюминатор содержит одно стекло толщиной 10 мм, радиолокатор работает на длине волны 31,5 мм. При этом посредством формулы (1) определяют набег фазы в стекле иллюминатора, равный в данном случае 1,12 π. Из этого следует, что набег фазы в стекле согласующего устройства выбирают из ряда: 0,88 π, 1,88 π, 2,88 π и т. д. При выборе величины 0,88 π толщину стекла согласующего устройства определяют из формулы (2), получая величину 7,9 мм (на практике можно принять 8 мм). Расстояние между стеклами иллюминатора и согласующего устройства также выбирают из условия набега фазы, кратном π. При длине волны 31,5 мм расстояние выбирают из ряда: 0; 15,75 мм; 31,5 мм и т.д. Таким образом стекло согласующего устройства изготавливают из оргстекла толщиной 8 мм и его прижимают к стеклу иллюминатора (расстояние равно 0) или устанавливают на расстоянии 15,75 мм.

Теперь примем, что иллюминатор содержит два стекла толщиной 10 мм, расположенные на расстоянии 20 мм. Толщину стекол согласующего устройства выбирают так же, как в предыдущем случае, т.е. равной 8 мм. Расстояние между парами стекол иллюминатора и согласующего устройства определяют так же, как в первом случае, учитывая только дополнительны набег фаз в стеклах, расположенных между стеклами пары. Для пары: первое стекло иллюминатора - первое стекло согласующего устройства такой дополнительный набег вызывается вторым стеклом иллюминатора (см. структурную схему), составляя величину 1,12 π. Поэтому расстояние между первым стеклом иллюминатора и первым стеклом согласующего устройства выбирают из условия обеспечения набегом фаз в воздушных промежутках из ряда: 0,88 π, 1,88 π, 2,88 π и т.д. В данном случае при выборе величины 0,88 π первое стекло согласующего устройства в пространстве совместится со вторым стеклом иллюминатора, что неприемлемо. Поэтому следует принять следующую величину - 1,88 π. С помощью формулы (2) находят, что это соответствует воздушному промежутку равному 29,6 мм. Увеличивают эту величину на толщину второго стекла иллюминатора, получая расстояние между стеклами пары: первое стекло иллюминатора - первое стекло согласующего устройства, равное 39,6 мм. При выборе расстояния между парой: второе стекло иллюминатора - второе стекло согласующего устройства учитывают набег фаз в первом стекле согласующего устройства, расположенного между ними. Этот набег фаз в данном случае равен 0,88 π (см. расчет выше). Тогда выбор набега фаз в воздушном промежутке между стеклами этой пары производят из ряда: 0,12 π, 1,12 π, 2,12 π и т.д. Первый член ряда опять неприемлем по тем же соображениям, поэтому выбирают величину 1,12 π. С помощью формулы (2) находят, что это соответствует воздушному промежутку, равному 17,6 мм. Увеличивают эту величину на толщину первого стекла согласующего устройства, получая расстояние между стеклами пары: второе стекло иллюминатора - второе стекло согласующего устройства, равное 25,6 мм. Итак, согласующее устройство в данном случае состоит из двух стекол толщиной 8 мм, расположенных на расстоянии 39,6 мм и 25,6 мм от первого и второго стекла иллюминатора соответственно.

При таком выборе параметров согласующего устройства каждое из его стекол подавляет отражения от соответствующего стекла иллюминатора (просветляет его), а в результате достигается эффект резкого уменьшения потерь сигнала при работе РСА через иллюминатор. Так на самолете Ан-30 с двойным остеклением иллюминаторов удалось потери сигнала уменьшить на 5 дБ (что эквивалентно повышению энергетического потенциала РСА более чем в 3 раза).

Такой принцип пригоден для любого числа стекол иллюминатора. Если в какой-то конкретной конструкции какое-либо стекло иллюминатора окажется имеющим толщину, определяемую вышеприведенным условием, то толщина соответствующего стекла согласующего устройства принимается равной нулю, т.е. такое стекло в согласующем устройстве отсутствует. При необходимости, варьируя число n для расстояния между стеклами согласующего устройства и соответствующими стеклами иллюминатора, можно изменить порядок чередования стекол в согласующем устройстве.

Наиболее удобный материал для изготовления стекол согласующего устройства - листовое оргстекло необходимой толщины. Достоинством оргстекла является также способность легко принимать в нагретом состоянии форму требуемой кривизны поверхности, сохраняя ее в охлажденном состоянии. Если в иллюминаторе и/или в согласующем устройстве будет применено не оргстекло, а другой материал, то нужно в качестве ε при расчете электрической длины пути в нем принимать значение, типичное для этого материала.

Детальное изложение выполнения остальных элементов предлагаемой системы - антенны, приемопередатчика и регистратора описаны в вышеупомянутой книге "Радиолокационные станции обзора Земли" Г. Кондратенков и др. М., Радио и связь, 1983.

Предлагаемая система работает следующим образом. Генерируемые приемопередатчиком зондирующие импульсы поступают на антенну, которая излучает их в направлении иллюминатора. Зондирующие сигналы проходят через стекла согласующего устройства и стекла иллюминатора так, что отраженные сигналы от иллюминатора еще раз отражаются от согласующего устройства, теперь уже в направлении излучения РСА таким образом, чтобы они оказались синфазными с сигналами, не испытавшими отражения в иллюминаторе. Прошедшие иллюминатор зондирующие импульсы достигают поверхности Земли и отражаются от нее. Эти эхо-сигналы достигают иллюминатора и согласующего устройства. Точно так же, как при излучении зондирующих сигналов, эхо-сигналы проходят иллюминатор и согласующее устройство, частично претерпевая отражения от них. Фазы этих отражений также таковы, что они теперь суммируются в направлении антенны. Принятые антенной эхо-сигналы поступают на приемопередатчик, а с его выхода - на регистратор. Таким образом, решение технической задачи достигается - ослабление сигнала РСА при работе через иллюминатор авиационного носителя уменьшается.

Изобретение относится к радиолокации, более конкретно к бортовым системам радиолокационного обзора Земли, устанавливаемым на авиационных носителях (самолетах, вертолетах). Для уменьшения трудоемкости и продолжительности работ по установке РСА на авиационный носитель, а также исключения необходимости доработки конструкции корпуса (фюзеляжа) носителя и изготовления радиопрозрачного обтекателя излучения и приема сигнала РСА можно осуществлять через штатный иллюминатор носителя. Однако при прохождении сигнала через иллюминатор может возникать значительное его ослабление до 3-4 дБ и более в одну сторону (6-8 дБ в две стороны), что снижает энергетический потенциал РСА. Поэтому целесообразность работы РСА через иллюминатор связана с возможностью существенного уменьшения этого ослабления с помощью дополнительно введенного согласующего устройства, устанавливаемого между раскрывом антенны и иллюминатором. Таким образом, достигаемый технический результат заключается в том, что в авиационной радиолокационной системе бокового обзора Земли, включающей авиационный носитель с иллюминатором и установленный на носителе радиолокатор с синтезированной апертурой, содержащий антенну, установленную перед иллюминатором и соединенную с приемопередатчиком, выход которого соединен с входом регистратора, между антенной и иллюминатором устанавливают дополнительно введенное согласующее устройство, уменьшающее потери сигнала в иллюминаторе. 1 ил.

Авиационная радиолокационная система бокового обзора Земли, включающая радиолокатор с синтезированной апертурой, установленной на авиационном носителе с иллюминатором, имеющим m стекол, и содержащий антенну, установленную перед иллюминатором и соединенную с приемопередатчиком, выход которого соединен с входом регистратора, отличающаяся тем, что между антенной и иллюминатором установлено дополнительно введенное согласующее устройство, имеющее m стекол с той же, что y стекол иллюминатора кривизной поверхности и с такой толщиной каждого из них, чтобы суммарный набег фазы в соответствующих стеклах иллюминатора и согласующего устройства был кратен π, а каждое стекло согласующего устройства установлено на таком расстоянии от соответствующего стекла иллюминатора, чтобы суммарный набег фазы в промежуточных между ними стеклах и воздушных промежутках тоже был кратен π.