УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и обеспечивает расширение диапазона, в котором линейно (плавно) изменяется значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) отражателя. Такое устройство позволяет откалибровать стенд для измерения ЭПР сложных объектов по данному известному значению ЭПР.

Известно, что измерение ЭПР цели осуществляется по отношению к ЭПР стандартной (эталонной) цели. В качестве стандартов обычно используют металлические сферы, цилиндры, пластины, уголковые отражатели и т.д., так как их сечения можно рассчитать /1/. Распространенным эталонным рассеивателем являются сферы, значения ЭПР которых могут быть рассчитаны достаточно точно, однако, для калибровки измерительных РЛС метрового и дециметрового диапазонов величины ЭПР сферических рассеивателей достаточно малы (до 1 м²), поэтому в качестве эталонного рассеивателя используют прямой круговой цилиндр. Для калибровки больших уровней в широком диапазоне изменения ЭПР удобно применять цилиндры с одинаковым радиусом основания, но разной длины /2/. Таким образом, преимущества прямого кругового цилиндра состоят в следующем:

цилиндр, как и сфера, подходит для калибровки РЛС при двухпозиционных измерениях, за исключением области прямого рассеяния (β=180°, β - угол разноса антенны приемника и передатчика);

цилиндр сравнительно легко изготавливается и его значение ЭПР несложно рассчитать известными методами;

для цилиндра не нужны точные угловые установки и регулировки как для пластины, уголкового отражателя и т.д.;

цилиндр не вызывает деполяризацию рассеянного в обратном направлении сигнала.

Вместе с тем, известные способы калибровки измерительных РЛС (измерительных стендов) подразумевают под собой проведение градуировки в величинах ЭПР. Для этого, на известном расстоянии от измерительной РЛС вслед за измеряемым объектом, в тоже место, устанавливается цель (цели) с известной ЭПР (обычно металлическая сфера, цилиндр и т.д.), что позволяет установить уровень градуировочной кривой и привести его в соответствие с уровнями измеряемого объекта. Такие относительные измерения обеспечивают градуирование всей измерительной системы /3/. Аналогичным образом для калибровки отраженного от исследуемого объекта сигнала отражатель устанавливают на малоотражающей опоре вблизи измерительной РЛС таким образом, чтобы обеспечить возможность поочередного наведения антенны то на отражатель, то на исследуемый объект /4/.

Оба способа являются трудоемкими и, наряду с преимуществом (относительно высокая точность измерений), обладают общим недостатком: они предусматривают применение достаточно большого числа (до 10 и более) калибровочных отражателей, позволяющих построить калибровочную кривую с шагом до 3-5 дБ /5/, чтобы обеспечить приемлемую точность калибровки. В свою очередь калибровочные измерения трудоемки и поэтому проводятся в течение длительного времени, от 15 мин /6/ до 45 мин /7/ и более, и по времени могут превосходить продолжительность измерений самого объекта. Очевидно, что сокращение времени калибровки путем использования меньшего числа калибровочных отражателей приводит к существенному снижению точности калибровки. Например, известен отражатель электромагнитных волн /8/, выполненный в виде прямого цилиндра, направляющая которого состоит из участков симметричных относительно оси цилиндра и имеющих форму логарифмической спирали. Данный отражатель имеет расширенный сектор углов (0-110°), в котором ЭПР изменяется линейно в зависимости от угла облучения. Таким образом, за один оборот цилиндра можно получить экспериментальные результаты для построения калибровочной кривой в диапазоне изменения значений ЭПР до 22 дБ. Однако, как показывают иллюстрационные материалы, такая “быстрая” калибровка не лишена ошибок, которые (при справедливости нормального закона распределения) можно характеризовать среднеквадратическим отклонением мгновенных значений ЭПР до 2 дБ.

Цель изобретения - упростить процесс калибровки, сократить время на ее проведение и увеличить диапазон измеряемых значений ЭПР для широкого спектра радиоволн.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве /9/ для изменения площади отражающей поверхности содержащем радиопрозрачную оболочку (РПО) 1, которая является моделью исследуемого объекта, полость которой частично заполнена электропроводной жидкостью 2, поршневой насос 3, соединенный трубопроводом 4 с нижней частью полости РПО 1, поршень 5, соединенный с приводом 6, воздушная полость насоса 3, соединенная

дополнительным трубопроводом 7 с верхней частью РПО 1, нижняя часть которой, посредством трубопровода 4, соединена с уровнемером 8 уровня жидкости 2 в РПО 1 (фиг.1), РПО представляется в форме прямого кругового цилиндра высотой l и радиусом а в основании (фиг.2б). В таком устройстве при плавном изменении уровня электропроводной жидкости можно последовательно воспроизводить “набор” эталонных отражателей в виде прямых круговых цилиндров с одинаковым радиусом основания, но разной длины. При боковом облучении (перпендикулярно оси) такого прямого кругового цилиндра (ПКЦ) он ведет себя как точечная цель с ЭПР, определяемой из выражения /2/

где а - радиус основания, l - высота цилиндра, λ - длина волны радиоизлучения, π=3,1415926....

Существо предлагаемого технического решения поясняется фиг.3-5.

На фиг.3 приведены зависимости максимального значения ЭПР (σ_m) ПКЦ с радиусом основания а=0,01 м при облучении его перпендикулярно образующей от изменения высоты l от 0,1 до 2 метров для различных длин волн (0,008 м, 0,03 м, 0,1 м).

На фиг.4 приведено сравнение диапазонов изменения максимального значения ЭПР (σ_m) ПКЦ на длине волны 0,03 м для двух случаев: 1 - высота ПКЦ постоянна l=1 м, диаметр основания d=2a изменяется от 0,1 до 1 метра; 2 - диаметр основания постоянен d=1 м, а высота ПКЦ l изменяется от 0,1 до 1 метра.

Анализ приведенных на фиг.3 зависимостей иллюстрирует возможности калибровки измерительного стенда одновременно для различных длин волн (0,008 м, 0,03 м, 0,1 м) в динамическом диапазоне измеряемых величин ЭПР до 30 дБ.

Из фиг.4 видно, что наиболее предпочтителен для калибровки факт изменения высоты ПКЦ, чем диаметра его основания как в /8/, так как при этом существует возможность откалибровать измерительный стенд в более широком диапазоне измеряемых величин ЭПР (более 25 дБ). Для корректного сопоставления в обоих случаях, с целью исключения ошибок, связанных со сферичностью фронта радиоволны /1/, был выбран одинаковый (измерительный) объем, в границах которого изменялись геометрические параметры ПКЦ (l и d=2a).

На фиг.5 приведено сравнение требуемого времени на калибровку измерительного стенда в одинаково равных условиях предлагаемым и известным устройством калибровки на эталонном радиолокационном измерительном комплексе /7/. Очевидно, что предлагаемое устройство позволяет сократить время, отведенное на калибровку, до 4 раз.

Устройство работает следующим образом. Для калибровки измерительного стенда во внутреннюю полость РПО-ПКЦ 1 посредством привода 6 поршневым насосом 3 по трубопроводу подают электропроводную жидкость 2 до заданного начального уровня, который контролируют с помощью уровнемера 8 (ПКЦ с минимальной длиной образующей). После облучения РПО радиоволной и приема отраженного сигнала, перемещением поршня 5 увеличивают высоту l ПКЦ (уровень жидкости). При этом шаг изменения уровня (высоты l ПКЦ) выбирается из условия, обеспечивающего “плавное” изменения для заданной радиоволны значения σ_m с шагом 3-5 дБ по всему динамическому диапазону, чтобы избежать грубые ошибки в измерении. Изменение уровня электропроводной жидкости продолжается до тех пор, пока не будет прокалиброван весь диапазон измеряемых величин ЭПР (ПКЦ с максимальной длиной образующей). Давление воздуха в верхней части полости РПО-ПКЦ уравновешивается за счет соединения ее с воздушной полостью поршневого насоса 3 трубопроводом 7.

В качестве электропроводной жидкости может выступать ртуть, которая имеет сравнительно низкую температуру (-49°С) превращения в твердое состояние. Однако ртуть имеет очень высокую удельную плотность и превышает, например, плотность воды в 13,6 раза. Таким образом, для практической реализации заявляемого устройства без ухудшения его основных характеристик, требуется рационально использовать минимально возможный объем ртути. Для решения этой задачи предлагается полость РПО выполнить в форме цилиндрической трубы высотой l, внешним радиусом а в основании и толщиной полой стенки трубы δ (δ=a-r, r - внутренний радиус, фиг.2с), определяемых из соотношений: a≥0,5λ_ср, l≥4λ_ср, δ≈0,01λ_ср, где λ_ср=(λ_мин+λ_макс)/2 - средняя длина волны радиоизлучения измерительного стенда, λ_мин и λ_макс - соответственно минимальная и максимальная длина волны радиоизлучения измерительного стенда. Толщина полой стенки трубы выбирается из условия обеспечения с одной стороны беспрепятственного протока ртути, с другой - сохранения электромагнитных характеристик ртути как металла, т.е. учета глубины проникновения радиоволны в металл. На фиг.6 приведены данные о глубине проникновения в ртуть радиоволн разного диапазона /2/. Придание РПО формы полой трубы, за счет уменьшения требуемого объема ртути, позволяет значительно облегчить вес конструкции предлагаемого устройства. На фиг.7 приведена зависимость изменения объема полости РПО-ПКЦ (V/U) от толщины полой стенки трубы δ (в долях от длины радиуса основания ПКЦ а), где V - объем полости РПО-ПКЦ высотой l, U - объем полости цилиндрической трубы высотой l, эквивалентной высоте РПО-ПКЦ.

Анализ данной зависимости показывает, что, учитывая возможные ограничения, существует реальная возможность сократить объем полости РПО-ПКЦ, а соответственно и вес всего устройства до 100 раз.

Из соотношения (1) следует, что расчетное значение ЭПР (σ_m) для заданной длины (λ) можно рассчитать, измерив высоту электропроводной жидкости l в РПО-ПКЦ. Для удобства уровнемер 8 уровня жидкости в РПО предлагается выполнить в виде радиопрозрачной линейки с метками длины, размещенными эквидистантно от нижнего основания полости РПО-ПКЦ вдоль его образующей.

Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеизложенным примером его осуществления. Исходя из его схемы, могут быть предусмотрены и другие варианты его осуществления, не выходящие за рамки изобретения.

Устройство целесообразно использовать в организациях, занимающихся радиолокационными измерениями.

Источники, принятые во внимание при составлении описания и формулы

1. Блэксмит, Хайт, Мак. Введение в методы измерения радиолокационного поперечного сечения цели. ТИИЭР, 1965, т.53, № 8. С.1039.

2. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: “Сов. радио”. 1975. С.204.

3. Сколник М. Справочник по радиолокации. М.: “Сов. радио”. 1976. С.360.

4. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: “Радио и связь”. 1986. С.160.

5. Марлоу и др. Комплекс RAT SCAT для измерения радиолокационного поперечного сечения целей. ТИИЭР, 1965, т.53, № 8. С.1085.

6. Риггер С., Висбек В. Широкополосная поляриметрия и комплексные сигнатуры эффективных площадей отражения радиолокационных целей. ТИИЭР, 1989, т.77, № 5. С.23.

7. Сумин А.С. и др. Контрольная для "невидимок". АВИА-панорама. № 6. 1997. С.30.

8. Авторское свидетельство СССР № 1426378, кл. Н 01 Q 15/14.

9. Авторское свидетельство СССР № 1284008, кл. Н 01 Q 15/00 (прототип).

Изобретение относится к антенной технике и обеспечивает расширение диапазона, в котором линейно изменяется значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) отражателя. Технический результат заключается в упрощении процесса калибровки, сокращении времени его проведения и увеличении диапазона измеряемых значений ЭПР до 25 дБ и более для широкого спектра радиоволн, в обеспечении возможности откалибровать стенд для измерения ЭПР сложных объектов по данному известному значению ЭПР. Сущность изобретения заключается в том, что полость радиопрозрачной оболочки (РПО), которая является моделью исследуемого объекта, частично заполнена электропроводной жидкостью. Уровень этой жидкости регулируется поршневым насосом, а измеряется уровнемером. Придание полости РПО формы прямого кругового цилиндра (ПКЦ) заданных размеров позволяет при плавном изменении уровня электропроводной жидкости последовательно воспроизводить “набор” эталонных отражателей в виде прямых круговых цилиндров, значения ЭПР которых могут быть рассчитаны достаточно точно. РПО может иметь форму цилиндрической трубы. Приведены соотношения размеров ПКЦ и цилиндрической трубы. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для изменения площади отражающей поверхности, содержащее радиопрозрачную оболочку (РПО), которая является моделью исследуемого объекта, полость которой частично заполнена электропроводной жидкостью, поршневой насос, соединенный трубопроводом с нижней частью полости РПО, поршень насоса соединен с приводом, воздушная полость насоса соединена дополнительным трубопроводом с верхней частью РПО, нижняя часть которой посредством трубопровода соединена с уровнемером уровня жидкости в РПО, отличающееся тем, что полость РПО выполнена в форме прямого кругового цилиндра (ПКЦ) высотой l и радиусом а в основании, определяемыми из соотношений а≥0,5λ_ср, l≥4λ_ср, где λ_ср=(λ_мин+λ_макс)/2 - средняя длина волны радиоизлучения измерительного стенда, λ_мин и λ_макс - соответственно минимальная и максимальная длины волны радиоизлучения измерительного стенда.2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость РПО выполнена в форме цилиндрической трубы высотой l, внешним радиусом а в основании и толщиной стенки трубы δ, определяемыми из соотношений а≥0,5λ_ср, l≥4λ_ср, δ≈0,01λ_ср, где λ_ср=(λ_мин+λ_макс)/2 - средняя длина волны радиоизлучения измерительного стенда, λ_мин и λ_макс. - соответственно минимальная и максимальная длины волны радиоизлучения измерительного стенда.3.Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что уровнемер уровня жидкости в РПО представляет собой радиопрозрачную линейку с метками длины, размещенными эквидистантно от нижнего основания полости РПО вдоль образующей.