СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2003 года по МПК G01S13/00 G01R29/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для измерения радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов в диапазонах миллиметровых, сантиметровых и дециметровых радиоволн на полигонах открытого и закрытого типа.

Известны способы измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) объектов, включающие формирование поля облучения цели с различной поляризацией, измерение и эталонирование рассеиваемого поля, а также определение модуля и разности фаз коэффициентов отражения для основных и перекрестных базовых поляризаций. [1. Конарейкин Д.Б. и др. Поляризация радиолокационных сигналов. М. : Сов. Радио, 1966, стр. 280-288, а также 2. Заявка Великобритании 148064 по МПК G 01 S 13/00, 1979].

Общий недостаток этих способов состоит в низкой точности измерения ЭПР из-за того, что при их использовании не идентифицируется местоположение и не контролируется интенсивность источников остаточных фоновых отражений на трассе распространения электромагнитных волн (ЭМВ), а также переотражения между отдельными элементами радиолокационного измерительного комплекса (РИК), поэтому, как правило, измерения проводятся при относительно высоком уровне мешающих отражений.

Известен более точный способ измерения ЭПР наземных объектов с малым уровнем отражения (Россия, а.с. 843556, МПК G 01 S 13/00, 1979), заключающийся в формировании поля облучения в рабочем объеме РИК, размещении в стробируемом по дальности объеме РИК дополнительного отражателя, жестко закрепленного на подвижной платформе и перемещающегося таким образом, чтобы при определенном положении отражателя векторная сумма радиолокационных сигналов, наведенных в приемопередающей антенне в отсутствие объекта была равна нулю.

Вместе с тем известный способ по своей сути тождественен компенсации остаточных отражений, производимой в приемном устройстве РИК при отсутствии цели в рабочем объеме, чего как известно совершенно не достаточно. Кроме того, компенсация фоновых отражений (без объекта) не исключает влияние источников помеховых сигналов на суммарное поле облучения и измеренные значения ЭПР объектов.

Известен также способ повышения точности измерений ЭПР [Россия, а.с. 1083776, МПК G 01 R 29/00, 1981], основанный на облучении эквидистантной решетки с определенным шагом, составленной из одинаково ориентированных объектов, и приеме рассеянного на ней сигнала, по которому судят об ЭПР отдельного объекта, а число элементов, составляющих решетку, выбирают исходя из условия превышения "полезного" сигнала, обусловленного рассеянием на решетке, над фоном.

Основной недостаток способа состоит в том, что амплитудно-фазовое искажение поля облучения и переотражения объект - элементы конструкции РИК таким образом не устраняются ни при каком числе составляющих эквидистантную решетку объектов и тем самым не обеспечивается высокая точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения ЭПР объектов, включающий формирование поля облучения в рабочем объеме РИК, помещение в него исследуемого объекта, измерение рассеиваемой мощности и эталонирование уровней отражаемых радиолокационных сигналов [5. Комплекс Rat Scat для измерения радиолокационного поперечного сечения целей, ТИИЭР, т.53 8, 1965, стр. 1085-1094]. Недостатком известного способа, как и аналогов, является низкая точность измерения ЭПР объектов из-за отсутствия данных об истинном распределении локальных источников (ЛИ) вторичного излучения на трассе распространения ЭМВ. Указанный способ измерения ЭПР, вследствие значительных флуктуации фоновых отражений, не обеспечивает постоянства параметров поля облучения в рабочем объеме РИК и контроля точности измерений ЭПР, особенно при малом уровне отражаемых радиолокационных сигналов. То есть имеет место недостаточная эффективность традиционных методов формирования поля облучения в рабочем объеме РИК.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерений ЭПР объектов за счет улучшения параметров поля облучения РИК. Это достигается тем, что в известном способе измерения ЭПР, основанном на формировании поля облучения в рабочем объеме РИК, помещении исследуемого объекта в поле, создаваемое импульсным локатором, измерении мощности отражаемого сигнала и последующем эталонировании, дополнительно измеряют диаграмму Im(s) ЭПР двух всенаправленных эталонных отражателей при перемещении одного из них по заданному закону в пределах рабочего объема измерителя, производят теоретическую оценку диаграммы I₀(s) ЭПР тех же отражателей в свободном пространстве в поле излучения антенны комплекса и по разностной диаграмме, путем моделирования на ЭВМ, определяют геометрическое положение и относительную интенсивность остаточных источников отражения ЭМВ по формуле

усредненная по серии n измерений диаграмма обратного рассеяния (ДОР) по мощности эталонных отражателей; х, у, z - текущие координаты точки наблюдения на трассе; r = [x-x₁(s)]²+[y-y₁(s)]²+[z-z₁(s)]², x₁(s), y₁(s), z₁(s) - параметрические уравнения траектории L перемещения подвижного отражателя в рабочем объеме; h_s - коэффициенты Ламе траектории; р - вещественный параметр изменяющийся в пределах 3. . . 10; k = 2π/λ, λ - рабочая длина волны РИК; зависимость от времени принята в виде exp(iωt), а фазу ϕ(s) в интеграле (1) выбирают исходя из условия комплексного сопряжения с полем передающей антенны (в случае антенны с изотропной диаграммой направленности ϕ(s)=kr_a, где r_a - расстояние от фазового центра антенны до точки расположения подвижного отражателя). Далее стандартными методами минимизируют вклад помеховых радиолокационных сигналов, улучшая параметры поля облучения антенной системы (АС) и повышая тем самым точность измерений ЭПР.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием новых признаков: во-первых, новых действий - измерения ЭПР двух эталонных всенаправленных отражателей в реальном поле облучения РИК и теоретической оценки диаграммы ЭПР тех же отражателей в свободном пространстве в поле излучения антенны и, во-вторых, новых принципов - определением геометрического положения и относительной интенсивности помеховых сигналов, индуцируемых АС на трассе распространения ЭМВ, путем вычисления криволинейного интеграла (1) от разности измеренной и теоретически рассчитанной диаграмм ЭПР двух всенаправленных эталонных отражателей (обращения радиоизображения).

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена. Предложенная последовательность измерений, а именно: сначала регистрируют диаграмму ЭПР двух эталонных отражателей в реальном поле облучения РИК и делают теоретическую оценку ЭПР в свободном пространстве в поле излучения антенны, восстанавливают геометрическое положение и относительную интенсивность вторичных источников и на этой основе либо устраняют помеховые сигналы полностью, либо уменьшают их вклад в поле облучения до приемлемых уровней с помощью радиопоглощающих материалов (РПМ) и покрытий, позволяет улучшать параметры поля облучения в рабочем объеме РИК, не ограничиваясь как в прототипе эвристическим подходом и лишь участком трассы, существенным для распространения ЭМВ. [6. Черный Б.Ф. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1962, с. 28-37].

Выполнение новых принципов коррекции поля облучения в рабочем объеме РИК, заключающееся в том, что вначале определяют индуцируемые источники мешающих отражений, а затем поэлементно снижают их влияние на первичное поле АС, позволяет улучшать основные параметры поля облучения в рабочем объеме РИК в направлении их сближения с первичным полем антенны передатчика в свободном пространстве. То есть предложенный способ измерения ЭПР объектов при сохранении технической реализуемости способа позволяет повысить точность измерений РЛХ объектов при действенном контроле постоянства амплитудных и фазовых параметров поля облучения РИК.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения диаграмм ЭПР объектов. На фиг.2 изображены геометрия полигона и трасса распространения ЭМВ, поясняющие сущность предложенного способа. На фиг.3 приведены фрагменты диаграмм ЭПР эталонных отражателей в поле АС передатчика в свободном пространстве (штриховая кривая) и при наличии заданной интенсивности и положения источников помеховых сигналов (сплошная кривая). Фиг.4 иллюстрирует фрагменты восстанавливаемых относительных интенсивностей вторичных источников излучения.

Устройство, реализующее заявленный способ измерений ЭПР объектов и представленное на фиг.1, содержит последовательно соединенные регистратор - 1, приемный блок - 2, антенный переключатель - 3, импульсный передатчик - 4, приемопередающую антенну - 5, опорно-поворотное устройство (ОПУ) - 6, предназначенное для размещения эталонных отражателей и исследуемых объектов - 7, пульт дистанционного управления с датчиком углов поворота - 8. В устройстве, реализующем предложенный способ, используются типовые узлы и элементы, выполненные на современном уровне развития радиотехники [7. Майзельс Е.Н. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. радио, 1972].

На фиг. 2 изображено приемо-передающая антенна - 5, ОГТУ - 6, опорный и перемещающийся по заданному закону эталонные отражатели - 7, локальная неоднородность, создающая помеховые отражения - 9.

На фиг. 3 в относительных единицах представлены фрагменты ДОР I₀ (пунктирная кривая) и I_m (сплошная кривая) эталонных отражателей, полученные путем моделирования на ЭВМ по следующим формулам:


где f(θ,ϕ) - угловая зависимость амплитудной диаграммы направленности антенны РИК; θ₀,ϕ₀;θ₁,ϕ₁ и θ_s,ϕ_s - углы, определяющие направление из фазового центра антенны на опорный отражатель, подвижный отражатель и ЛИ соответственно; S(θ_s,ϕ_s;α,β) - относительный коэффициент бистатического рассеяния вторичного источника в направлениях на опорный и подвижный отражатели, характеризуемых из точки ЛИ соответственно углами расстояние между фазовым центром антенны с координатами x_а, y_а, z_a и ЛИ с координатами x_s, y_s, z_s; расстояние между ЛИ и опорным отражателем; расстояние между ЛИ и подвижным отражателем; расстояние между фазовым центром антенны и опорным отражателем; расстояние между фазовым центром антенны и подвижным отражателем. Для приведенных на фиг.3 диаграмм принято, что x_а=800 м, y_а=0, z_a=2,5 м; х_s=100 м, z_s= 5 м. Подвижный отражатель перемещался по цилиндрической равномерной спирали радиуса r_sp= 10 м в пределах z=0...6 м. Подстилающая поверхность была горизонтальной и имела уровень z=-1 м. Количество витков спирали составляло 60, а длина волны λ=10 см. Диаметр равноамплитудно и синфазно возбуждаемого круглого раскрыва антенны d=19 м, а максимум ДН антенны был направлен в центр рабочего объема РИК на высоте z=3 м. Относительный коэффициент бистатического рассеяния вторичного источника был выбран таким, что мощность поля, рассеянного ЛИ, в центре рабочего объема по отношению к мощности поля излучения антенны составляла -25 дБ.

На фиг.4 представлены результаты оценки относительной интенсивности источников в зависимости от координат х, у, z фиксированы), у, х, z фиксированы), z, х, у фиксированы). Данные, изображенные сплошной кривой, соответствуют сечениям, охватывающим ЛИ, а пунктирной - сечениям, в которых ЛИ нет, причем при их получении считалось, что у=10 м, z=5 м на фиг.4а; х=100 м, у= 10 м на фиг.4б, х=100 м, у=10 м на фиг.4в. Все приведенные результаты получены в предположении, что переотражениий электромагнитных волн от подстилающей поверхности нет, хотя при необходимости их также можно учесть.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Проводятся традиционные мероприятия, направленные на снижение уровня фона, обусловленного отражениями от элементов РИК, неоднородностей трассы распространения ЭМВ, местных предметов. Отражения от участка трассы, входящей в область, существенную для распространения радиоволн [6], предварительно ослабляются до заданного уровня с помощью специально ориентированного в пространстве и покрытого РПМ металлического экрана с определенными размерами. При измерении ДОР рассеивателя, составленного из отражателей 7, их размещают на основании ОПУ - 6, причем один опорный отражатель размещается на оси вращения ОПУ, а второй перемещается по заданному закону L(x, у, z), например, по спирали в пределах рабочего объема, с шагом по вертикали Δh~λ. Если в качестве эталонных отражателей выбраны сферы, то величина их радиуса а выбирается таким образом, чтобы уровень отражений, задаваемых величиной ЭПР , на порядок и более превосходил собственные шумы приемопередающей аппаратуры и фоновых отражений с учетом дальности R до ОПУ. Излучаемые блоком 5 радиоволны рассеиваются на составном эталонном отражателе 7 и через приемный блок 2, запоминаются регистратором 1 (формируется экспериментальная диаграмма ЭПР - I_m(s)). Далее составляется разность между измеренными значениями I_m(s) и диаграммой ЭПР I_o(s) тех же отражателей, рассчитываемой теоретически для свободного пространства в поле излучения антенны комплекса, либо уже содержащейся в банке данных ЭВМ. Рассчитывается функция источников F(x, y,z) по формуле (1). При этом в восстановленном изображении источников - функции F(x,y,z) появляются пики, связанные с помеховыми сигналами, в случае наличия при определенных х, у и z наведенных источников излучения на трассе распространения ЭМВ. Для лучшего выделения ("поднятия") выбросов помеховых сигналов из общего фона показатель степени р в (1) целесообразно варьировать в пределах 3...10. Далее выявленные помеховые источники минимизируются до приемлемых уровней, после чего РИК считается подготовленным к измерению РЛХ объектов. Существо предложенного способа измерения ЭПР объектов на РИК любого типа состоит в следующем. Для реального поля облучения, определяемого геометрией РИК, измеряют ДОР двух всенаправленных эталонных отражателей устанавливаемых на ОПУ измерителя, причем один из отражателей выполняет роль опорного, а второй перемещается в пределах рабочего объема по определенному закону, например, вращается по цилиндрической спирали радиуса r_sр так, чтобы получаемая интерференционная картина суммарных отражений ЭМВ охватывала максимально возможную апертуру рабочего объема. По соотношению (1) вычисляют функцию F(x,y,z), восстанавливая распределение вторичных источников по трассе распространения ЭМВ и известными приемами уменьшают их воздействие на поле облучения РИК. При необходимости процесс корректировки амплитудных и фазовых параметров поля облучения может производиться методом последовательных приближенный вплоть до полного совпадения его с полем излучения антенны РИК в свободном пространстве.

Таким образом, у заявляемого решения появляется новое свойство, заключающееся в измерении в реальном поле облучения РИК и теоретической оценке в свободном пространстве в поле излучения антенны комплекса диаграмм ЭГТР составного эталонного отражателя и восстановлении источников помеховых сигналов, обеспечивающее оптимизацию характеристик поля облучения РИК за счет минимизации вклада мешающих отражений, которое не совпадает со свойствами известных решений и обуславливает достижение положительного эффекта, заключающегося в коррекции поля облучения в рабочем объеме РИК и повышении точности измерений диаграмм ЭПР объектов.

Для оценки технического результата предложенного способа коррекции параметров поля облучения по сравнению с прототипом можно привести следующие соображения. В известном способе измерение РЛХ производится с использованием свойств экранирующей плоскости, предельным случаем которой является зеркальная плоскость. При этом не в полной мере принимается во внимание и не контролируется мешающее воздействие как местных предметов, так и многочисленных переотражений ЭМВ между АС, ОПУ, объектом локации и поверхностью трассы. То есть можно заключить, что эффективность мероприятий, используемых в известном способе для формирования поля облучения в рабочем объеме РИК, ограничена и особенно при измерениях ЭПР объектов больших электрических размеров с малым уровнем заметности недостаточна. Предлагаемый способ направлен на улучшение и контроль параметров поля облучения в рабочем объеме измерительных комплексов. Последнее достигается тем, что восстанавливаются все возможные помеховые источники вторичного излучения, а путем уменьшения их влияния на параметры поля облучения в рабочем объеме обеспечивается повышение точности измерения диаграмм ЭПР реальных объектов.

Моделирование, проведенное авторами применительно к конкретному РИК (R≈800 м, z_a≈3 м, d≈2 м), показало возможность воспроизведения поля облучения по сравнению с полем в свободном пространстве в пределах ширины главного лепестка антенны с уровнем спада на краях по амплитуде ~3 дБ и набегу фаз ~π/8 с погрешностью -0,2 дБ по амплитуде и 5...6⁰ по фазе, что обеспечивает точность измерения диаграмм ЭПР объектов не ниже 0,5 дБ в относительных максимумах.

За меру эффективности предлагаемого способа примем оценки местоположения индуцируемых источников излучения на измерительной трассе. В известных способах возможные источники помех идентифицируются интуитивно, на основе практического опыта. В предлагаемом способе местоположение и относительная интенсивность помеховых сигналов рассчитываются путем оценки функции F(x,y,z) по (1). Эффективность предлагаемого способа моделировалось на примере РИК с антеннами круглого раскрыва диаметром d~0,5...2 м, размещаемых на высоте z_a=2. . .6 м и дальностях R=200...1000 м для случаев отсутствия мешающих отражений и при условии, что мощность помеховых отражений составляет ~0,01...50% от мощности прямой волны. Оказалось, что вторичные источники, индуцированные на трассе распространения, при разнесении их в поперечном направлении более и по дальности более с интенсивностью более 0,1% от мощности первичного излучения в рабочем объеме, при отсутствии посторонних шумов и помех вполне разрешаются. Этого достаточно, для целенаправленного воздействия на источники помеховых сигналов. В известных способах измерения РЛХ и у прототипа подобная коррекция параметров облучающего объект поля отсутствует.

Обобщая приведенные аргументы и учитывая известные предельные оценки погрешностей измерений диаграмм ЭПР объектов [7] , можно заключить, что точность определения ДОР объектов предложенным способом по сравнению с известными техническими решениями может быть повышена в максимумах ДОР на 0,5. ..2 дБ, а в относительных минимумах до 10 дБ.

Преимуществом предлагаемого способа измерений РЛХ является простота его реализации, достигаемая путем расширения и совершенствования известных измерительных процедур, не требующих дополнительных материальных затрат и научных исследований.

Изобретение относится к области измерения радиолокационных характеристик объектов и может быть использовано для исследования рассеивающих свойств объектов локации. Технический результат изобретения - повышение точности измерения радиолокационных характеристик объектов за счет улучшения технических параметров поля облучения РИК. В способе измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР), включающем формирование поля облучения в рабочем объеме РИК, измерение и эталонирование рассеянной мощности, согласно изобретению вводится эталонный отражатель, составленный из двух всенаправленных отражателей и по их диаграммам ЭПР определяют местоположение и относительную интенсивность помеховых источников, индуцируемых на трассе распространения электромагнитных волн и устраняемых или минимизируемых в дальнейшем одним из стандартных методов. Заявленный способ измерения ЭПР объектов позволяет по сравнению с прототипом увеличить точность определения ДОР объектов в максимумах на 0,5...2 дБ, а в относительных минимумах до 10 дБ. Преимуществом предлагаемого способа измерений РЛХ является простота его реализации, достигаемая путем расширения и совершенствования известных измерительных процедур, не требующих дополнительных материальных затрат и научных исследований. 6 ил.

Способ измерения эффективной поверхности рассеяния объектов, включающий формирование поля облучения в рабочем объеме радиолокационного измерительного комплекса (РИК), помещение в него исследуемого объекта, измерение рассеиваемой мощности и эталонирование уровней отражаемых радиолокационных сигналов, отличающийся тем, что дополнительно измеряют диаграмму I_m(s) эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) двух всенаправленных эталонных отражателей, один из которых установлен неподвижно, а другой перемещают в пределах рабочего объема РИК по траектории, задаваемой параметром s, производят теоретическую оценку диаграммы I₀(s) ЭПР тех отражателей в свободном пространстве в поле излучения антенны комплекса и оценивают местоположения и относительные интенсивности источников помеховых сигналов по значениям функции F (x, y, z), вычисляемой по формуле

где х, у, Z - текущие координаты точки наблюдения на трассе;

х₁(s), у₁(s), z₁(s) - параметрические уравнения траектории L перемещения подвижного отражателя в рабочем объеме;
h_s - коэффициенты Ламе траектории;
р - вещественный параметр, лежащий в пределах 3. . . 10;
k = 2π/λ, λ - рабочая длина волны;
i - мнимая единица;
зависимость от времени для падающей и рассеянной электромагнитных волн принята в виде ехр(+iωt), а фаза ϕ(s) в интеграле, определяющем F(х, у, z), выбирается исходя из условия сопряжения с полем передающей антенны.