РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ МОРСКОЙ БУЙ Российский патент 2008 года по МПК H01Q15/14 B63B22/16 

Изобретение относится к радиолокации и радионавигации и может быть использовано в качестве радиолокационного навигационного морского буя в дециметровом и метровом диапазонах волн.

Известен способ и устройство для обеспечения равномерности индикатрисы рассеяния в азимутальной плоскости и уменьшения габаритов при работе в дециметровом и метровом диапазонах длин волн (СССР, авт. св. №1531787, МКИ H01Q 15/14). Это устройство получило название «Радиолокационный морской буй» (фиг.1) и содержит первый отражающий элемент в виде полого металлического конуса (ПМК) 1 с прямым углом конусности, обращенного вершиной к морской поверхности 2, являющейся вторым отражающим элементом, и плавучую опору, которой является часть ПМК 1 со стороны его вершины. При установке ПМК 1 на морскую поверхность 2 вершиной к ней, за счет того что поверхность 2 представляет собой в диапазоне дециметровых и метровых волн проводящую среду, формируется эквивалентный биконический радиолокационный отражатель. Поскольку угол при вершине ПМК 1 равен 90°, эквивалентный биконический отражатель обеспечивает равномерность индикатрисы рассеяния в азимутальной плоскости. Противовес 4, укрепленный на штоке 3, обеспечивает требуемую глубину погружения ПМК 1 относительно поверхности 2.

Очевидно, что биконический радиолокационный отражатель обладает равномерной круговой индикатрисой рассеяния только в азимутальной плоскости, при этом в вертикальной (угломестной) плоскости ширина основного лепестка индикатрисы рассеяния на уровне -3 дБ составляет ≈30° (В.О.Кобак, «Радиолокационные отражатели», Сов. радио, 1975 г., стр.156) или 15° над уровнем морской поверхности. Это обеспечивает биконическому радиолокационному отражателю равномерную индикатрису рассеяния в азимутальной плоскости только для малых углов возвышения, т.е. эффективную работу радиолокационных средств наблюдения морского базирования в условиях отсутствия морской волны, соизмеримой с габаритами самого буя. Так как верхняя часть ПМК (буя) выполнена в виде проводящего диска, который имеет единственный максимум отражения в направлении, совпадающем с нормалью к его поверхности, то радиолокационный морской буй (ПМК) в угломестной плоскости не обеспечивает равномерность индикатрисы рассеяния с достаточно большим уровнем эффективной площади рассеяния (ЭПР).

Задача изобретения состоит в расширении индикатрисы рассеяния и увеличении значения ЭПР буя в угломестной плоскости при работе в дециметровом и метровом диапазонах волн.

Для решения данной задачи ПМК делают открытым со стороны круглого основания 5, образуя конический рупор с диаметром раскрыва d, исходя из соотношения 3λ≤d≤15λ, где λ - длина волны радиоизлучения, а всю его внутреннюю полость заполняют радиопрозрачным материалом 6 с удельной плотностью в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды (фиг.2). При этом со стороны открытого круглого основания 5 первый отражающий элемент в виде полого металлического конуса (ПМК) 1 с прямым углом конусности представляет собой коническую рупорную антенну (Г.З.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин «Антенны УКВ». Связь. 1977 г., часть 1, стр.252) с прямым углом при вершине. При наличии внутри ПМК радиопрозрачного материала с удельной плотностью в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды, исключается попадание морской воды во внутреннюю полость ПМК, при этом дополнительно обеспечивается плавучесть и устойчивость всей конструкции.

Как радиолокационный отражатель коническая рупорная антенна (конический рупор) представляет собой сложную цель, индикатриса рассеяния которой в области основного лепестка близка по форме основному лепестку трехгранного уголкового отражателя одинаковых габаритов (В.О.Кобак, «Радиолокационные отражатели», Сов. радио, 1975 г., стр.165). В специальной литературе отсутствуют как экспериментальные результаты, так и выражения для расчета максимальной ЭПР в основном лепестке конического рупора с прямым углом конусности, но совершенно очевидно, что в первом приближении для ее оценки можно воспользоваться выражениями для максимальной ЭПР (σ_m) в основном лепестке трехгранного уголкового отражателя с треугольными гранями:

σ_m=4πd⁴/3λ²,

где d - диаметр круглого основания (раскрыва) ПМК,

λ - длина волны радиоизлучения.

Так как индикатрисы рассеяния трехгранных уголковых отражателей во всем диапазоне изменения углов теоретически не определены, то весьма полезными могут оказаться их полуэмпирические аппроксимации наиболее часто используемой индикатрисы рассеяния в горизонтальной плоскости (плоскости, параллельной ребру раскрыва отражателя) для уголкового отражателя с треугольными гранями (В.О.Кобак, «Радиолокационные отражатели». Сов. радио, 1975 г., стр.174)

где θ - угол в градусах.

Характерным для уголковых отражателей больших по сравнению с длиной волны размеров является тот факт, что все падающие на него лучи после двух-, трехкратных переотражений проходят одинаковый путь, равный пути от вершины уголка и обратно, т.е. при этом отсутствует их взаимная интерференция. Для конического рупора с прямым углом конусности в приближении геометрической теории дифракции отраженное поле вне рупора представляет собой суперпозицию полей, соответствующих прямым дифракционным и отраженным лучам, приходящим в точку приема (Г.З.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин, «Антенны УКВ». Связь, 1977 г., часть 1, стр.279-282). При этом возможные потери приводят к тому, что максимальное значение ЭПР (σ_m) в основном лепестке конического рупора с прямым углом конусности будет значительно (до 2 и более раз) меньше, чем у уголкового отражателя.

Если диаметр раскрыва конического рупора становится соизмеримым с длинной волны (в диапазоне дециметровых и метровых волн), то картина принципиально меняется. При уменьшении размера конического рупора провалы между основным и боковыми лепестками индикатрисы рассеяния уменьшаются и боковые лепестки постепенно сливаются с основным. При этом основной лепесток индикатрисы при определенных соотношениях, например, d/λ˜3,75 (d - диаметр раскрыва (основания) конического рупора (ПМК), λ - длина волны радиоизлучения) может иметь провал в центре основного лепестка индикатрисы рассеяния.

Таким образом, конический рупор с прямым углом конусности, образованный ПМК с открытым основанием, в известном устройстве радиолокационного морского буя обеспечивает в угломестной плоскости, в секторе углов 45°≤ϕ≤135°, расширенную осесимметричную индикатрису рассеяния с ЭПР, примерно соизмеримой с ЭПР трехгранного уголкового отражателя.

Радиолокационный морской буй работает следующим образом.

При установке полого металлического конуса 1 с прямым углом конусности на морскую поверхность 2, представляющую собой в диапазоне дециметровых и метровых волн проводящую среду, формируется эквивалентный биконический радиолокационный отражатель, образованный совокупностью полого металлического конуса 1 и его электродинамического зеркального отображения (на чертеже показано пунктиром). Поскольку угол при вершине полого металлического конуса 1 равен 90°, эквивалентный биконический отражатель обеспечивает равномерность индикатрисы, рассеянной в азимутальной плоскости. Так как ПМК открыт со стороны круглого основания 5, то в угломестной плоскости он обеспечивает расширение индикатрисы рассеяния с максимальным значением ЭПР исходя из соотношения (1). Противовес 4, укрепленный на штоке 3, обеспечивает требуемую глубину погружения полого металлического конуса 1 относительно морской поверхности 2, а также устойчивость всей конструкции. Наличие внутри ПМК радиопрозрачного материала 6 с удельной плотностью в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды, исключает попадание морской воды во внутреннюю полость ПМК, дополнительно обеспечивая при этом плавучесть и устойчивость всей конструкции.

В качестве радиопрозрачного материала 6 с удельной плотностью в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды, предлагается использовать композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы, наполненной газовыми, жидкими или твердыми включениями, - пенопласт (А.Г.Дементьев, О.Г.Тараканов, «Структура и свойства пенопластов», Химия, 1983, стр.65-66). По своим физико-механическим и электрическим свойствам наиболее подходит пенопласт типа ППУ, вспененный СО₂, или типа ПЭ, вспененный фреоном, с удельной плотностью 25...70 кг/м³ и диэлектрической проницаемостью, близкой к единице.

Для проверки предлагаемого технического решения было проведено полунатурное моделирование в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса («Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК)». Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. М.: «Оружие и технологии». 2004 г., стр.385), о чем свидетельствует «Акт испытаний...». В качестве образца ПМК использовался полый металлизированный биконический отражатель (фиг.3), состоящий из двух одинаковых усеченных конусов с углом 90° между образующими. Работоспособность устройства-прототипа и предлагаемого устройства проверялась путем записи индикатрисы рассеяния биконического отражателя при равномерном вращении его вокруг оси, проходящей через плоскость малого основания (фиг.4). Большое основание одного из конусов было открыто, что позволило со стороны полого металлического конуса (конического рупора) с углом при вершине 90° моделировать работу предлагаемого устройства ПМК. Возможности устройства-прототипа характеризовались измеренной индикатрисой рассеяния со стороны металлизированного основания второго конуса.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.4-6.

На фиг.4 представлена схема измерения индикатрисы рассеяния (диаграммы ЭПР) образца ПМК: металлизированного биконического отражателя, где d - диаметр круглого основания (раскрыва) ПМК.

На фиг.5 приведены диаграммы ЭПР в секторе углов локации 0-180° образца устройства ПМК-прототипа (а) и предлагаемого устройства-ПМК (b) с разными волновыми размерами:

с - диаметр основания ПМК d/λ≈3,

f - диаметр основания ПМК d/λ≈5,

k - диаметр основания ПМК d/λ≈15,

где λ - длина волны радиоизлучения.

На фиг.6 приведены интегральные законы распределения ЭПР (Р(σ)) образца ПМК-прототипа (а) и предлагаемого устройства-ПМК (b) в секторе локации 90°±45°, полученные для круглого основания (раскрыва) ПМК с соответствующими волновыми размерами (c, f, k).

Анализ приведенных на фиг.4-6 результатов позволяет сделать вывод о том (Акт испытаний...), что предлагаемое устройство-ПМК в сравнении с устройством-прототипом позволяет расширить индикатрису рассеяния до 90° и увеличить значения ЭПР (по уровню вероятности 0,5) буя в угломестной плоскости относительно нормали к раскрыву основания в секторе углов локации 90°±45° до 4,3...14,2 дБ в диапазоне длин волн от дециметров до метров (d/λ от 15 до 3).

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 реализации, не выходящие за рамки предмета изобретения.

Изобретение относится к радиолокации и радионавигации и может быть использовано в качестве радиолокационного навигационного морского буя в дециметровом и метровом диапазонах волн. Радиолокационный морской буй представляет собой полый металлический конус (ПМК) с прямым углом конусности, обращенный вершиной к морской поверхности, являющейся вторым отражающим элементом, и плавучую опору, которой является часть ПМК со стороны его вершины. При установке ПМК на морскую поверхность вершиной к ней формируется эквивалентный биконический радиолокационный отражатель, обеспечивающий равномерность индикатрисы рассеяния в азимутальной плоскости. ПМК открыт со стороны круглого основания и вся его внутренняя полость заполнена радиопрозрачным материалом с удельной плотностью в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды. Техническим результатом является расширение индикатрисы рассеяния морского буя до 90° в угломестной плоскости и увеличение значения его эффективной площади рассеяния (по уровню вероятности 0,5) до 4,3...14,2 дБ в диапазоне длин волн от дециметров до метров. Радиопрозрачный материал исключает попадание морской воды во внутреннюю полость ПМК, дополнительно обеспечивая при этом плавучесть и устойчивость всей конструкции. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Радиолокационный морской буй, содержащий первый отражающий элемент в виде полого металлического конуса (ПМК) с прямым углом конусности, обращенный вершиной к морской поверхности, являющейся вторым отражающим элементом, и плавучую опору, которой является часть ПМК со стороны его вершины, отличающийся тем, что ПМК открыт со стороны круглого основания, образуя конический рупор с диаметром раскрыва d исходя из соотношения 3≤d/λ≤15, где λ - длина волны радиоизлучения, а вся внутренняя полость ПМК заполнена радиопрозрачным материалом с удельной плотностью, в 15...40 раз меньшей, чем удельная плотность морской воды.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве радиопрозрачного материала используют пенопласт с удельной плотностью 25...70 кг/м³ и диэлектрической проницаемостью, близкой к единице.