УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОЙ ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2014 года по МПК G01R29/08 

Область техники

Изобретение относится к устройствам и способам для определения, по меньшей мере, одной величины, характеризующей электромагнитное излучение исследуемого объекта.

Уровень техники

Для определения диаграммы излучения исследуемого объекта ранее было предложено использовать устройства, выполненные в виде сети зондов, распределенной по изогнутому основанию окружности, части такой дуги, сфере, части сферы (сферическому куполу) или части цилиндра (цилиндрическому куполу), окружающей исследуемый объект, или вдоль линии или на плоскости, находящейся перед исследуемым объектом. Известны, в частности, устройства такого типа, которые содержат средства, обеспечивающие взаимный поворот исследуемого объекта и сети в виде дуги, части дуги, сферы или части сферы вокруг оси, соответствующей диаметру дуги или сферы, чтобы последовательно измерять излучение исследуемого объекта в плоскостях, распределенных вокруг оси взаимного поворота исследуемого объекта и дуги или сферы, т.е. на сфере, окружающей объект, или на части такой сферы.

Известно также использование сетей зондов в форме дуги, части дуги или части цилиндра при относительном перемещении исследуемого объекта перпендикулярно плоскости сети зондов таким образом, чтобы обеспечить возможность измерения излучения на цилиндре, окружающем объект, или на части этого цилиндра.

Известно также использование линейных сетей зондов при относительном повороте исследуемого объекта вокруг оси, параллельной сети зондов, чтобы измерить излучение на цилиндре, окружающем объект.

Известно также использование линейных или планарных сетей зондов при перемещении исследуемого объекта в плоскости, параллельной сети зондов, чтобы измерить излучение в плоскости перед объектом.

Независимо от того, проводятся ли измерения в сферических, цилиндрических или прямоугольных (декартовых) координатах, известным устройствам на основе сетей зондов в форме дуги, сферы, линии или плоскости свойственны ограничения, связанные с дискретностью шага измерений, обусловленной расположением зондов-детекторов в сети.

Действительно, количество точек измерения, необходимых для измерения антенны на заданной частоте, непосредственно зависит от размера источника излучения и от длины волны (А), соответствующей частоте, на которой ведутся измерения. Например, для измерений в сферической или цилиндрической геометрии существуют различные критерии снятия отсчетов (семплирования) для определения количества точек измерения, расположенных на дуге, на части дуги, на сфере, на части сферы или на части цилиндра.

Наиболее известным условием является минимальное расстояние между точками измерения на минимальной сфере, равное λ/2, при диаметре минимальной сферы, равном D и при совпадении центра сферы с центром сети. Это соответствует угловому расстоянию между датчиками (зондами) сети, равному λ/D. Аналогичное условие применимо и к измерениям в планарной геометрии, где критерий семплирования соответствует минимальному расстоянию между точками измерения в плоскости перед источником, равному λ/2. Соответственно, расстояние между зондами сети должно равняться λ/2.

При использовании сети зондов ее физические ограничения в отношении размера, а также количества зондов и расстояний между ними определяют, при заданной частоте, ограничения на размеры поля (зоны) на исследуемом объекте, которое может быть измерено, или, при заданных размерах исследуемого объекта, ограничения на максимально возможную частоту измерений. Чтобы устранить эти недостатки, было предложено устройство для измерений применительно к сферической или цилиндрической геометрии, которое содержит средства, обеспечивающие возможность качания сети зондов и/или исследуемого объекта, чтобы обеспечить взаимное угловое смещение сети зондов и исследуемого объекта и в результате обеспечить возможность измерений в нескольких угловых положениях сети зондов и исследуемого объекта, отстоящих на долю шага сети.

Тем самым достигается увеличение количества измерений для каждого относительного положения сети зондов и исследуемого объекта.

Соответственно, такое решение увеличивает максимальную допустимую частоту измерений при заданных размерах исследуемого объекта. Аналогично, при заданной частоте измерений обеспечивается возможность увеличить размеры исследуемого объекта в рамках измерений по сферической или цилиндрической геометрии.

Примеры подобных измерений описаны, например, в FR 2858855, где описано использование смещений, позволяющих осуществлять семплирование с шагом, меньшим шага сети зондов.

Однако устройства подобного типа остаются малоприспособленными для измерений крупногабаритных объектов в том отношении, что они требуют использования сетей зондов и/или измерительных установок, размеры которых должны быть адаптированы к размерам объектов.

В противном случае не обеспечивается возможность выбора конкретных геометрических зон исследуемого объекта, излучение из которых требуется измерить.

В RU 2014624 описана система, содержащая единственный зонд (а не сеть зондов), который перемещается по направляющей, имеющей форму дуги окружности.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, заключается в устранении недостатков, свойственных известным системам.

Другая задача состоит в расширении возможностей применения любой имеющейся сети зондов, особенно в отношении размеров объекта, диаграмма излучения которого может быть определена при сохранении широких возможностей в отношении семплирования. Еще одна задача состоит в создании мобильного устройства, компактного, экономичного и пригодного для точного позиционирования относительно геометрических зон объекта, излучение из которых требуется измерить. Заключительная задача, решенная изобретением, состоит в создании устройства для измерения излучения от объектов больших размеров на более высоких частотах и с меньшим количеством зондов.

Согласно изобретению перечисленные задачи решены за счет создания устройства для определения, по меньшей мере, одной величины, характеризующей электромагнитное излучение исследуемого объекта. Устройство по изобретению, которое содержит сеть зондов, характеризуется тем, что содержит приводные средства, обеспечивающие скользящее перемещение сети зондов вдоль своего контура с перемещением относительно исследуемого объекта на расстояние, превышающее шаг сети зондов, для осуществления измерений в различных положениях сети зондов относительно исследуемого объекта.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики, задачи и преимущества изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, которое имеет чисто иллюстративный и неограничивающий характер и которое должно рассматриваться совместно с прилагаемыми чертежами, где:

фиг.1 иллюстрирует устройство согласно варианту изобретения;

фиг.2 и 3 иллюстрируют устройство по фиг.1, используемое для испытаний самолета.

Осуществление изобретения

Фиг.1-3 иллюстрируют устройство 10 согласно изобретению для определения диаграммы излучения исследуемого объекта 400. Основной частью устройства является сеть 100 зондов (измерительных антенн), распределенная по изогнутому основанию 110, установленная на приводные средства 200, обеспечивающие скользящее перемещение.

Устройство 10 реализует концепцию микроволнового видения ("микроволнового глаза"), согласно которой средства (в виде сети 100 зондов) подведены с высокой точностью к зонам исследуемого объекта 400. При этом цель измерений состоит в определении электромагнитных характеристик, а исследуемые объекты являются крупногабаритными.

1. Изогнутое основание измерительных антенн

На фиг.1-3 данное изогнутое основание 110 соответствует полукругу.

Изогнутое основание 110 несет сеть 100 электромагнитных зондов (т.е. измерительных антенн), схематично изображенных в виде точек.

Следует отметить, что сеть 100 состоит из n измерительных антенн, причем n выбрано большим или равным 2.

При этом изогнутое основание 110 представленной сети 100 предпочтительно объединяет две или более групп электромагнитных зондов (которые могут быть заглублены внутрь дуги), функционирующих в различных полосах частот для расширения рабочего частотного диапазона устройства 10.

В неограничивающем примере сеть 100 объединяет две группы электромагнитных зондов, чтобы перекрыть при измерениях полосу частот от 0,4 ГГц до 18 ГГц. В конкретных вариантах сеть 100 может содержать две или более последовательно расположенных групп электромагнитных зондов или регулярное или нерегулярное чередование электромагнитных зондов, входящих в эти группы, вдоль изогнутого основания 110.

Различные группы зондов могут рассматриваться как подсети одной сети.

2. Система обеспечения скользящего перемещения сети зондов

Данная система снабжена приводными средствами 200, обеспечивающими скользящее перемещение изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, вокруг своего геометрического центра, обозначенного на фиг.1, как Х.

Приводные средства обеспечивают желательное взаимное угловое перемещение сети 100 зондов и исследуемого объекта 400. Например, изогнутое основание 110, несущее сеть 100 электромагнитных зондов, может осуществлять сканирующее угловое перемещение по охватывающей исследуемый объект 400 дуговой траектории, превышающей 180°, как это иллюстрируется фиг.3.

Приводные средства представлены на фиг.1-3 направляющей 210 в форме дуги окружности, расположенной вдоль поверхности сети 100, охватывающей исследуемый объект 400.

Данная направляющая 210 содержит средства для установки в требуемое положение и фиксации в нем изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов.

Для этой цели направляющая имеет внутреннюю вогнутую поверхность, на которой расположена, с возможностью скольжения (благодаря наличию гидравлической пленки, роликов или иных средств), другая вогнутая поверхность, соответствующая сопряженной с ней поверхности изогнутого основания 110.

В одном из вариантов внутренняя поверхность направляющей 210 может быть снабжена направляющими канавками, по которым вдоль направляющей 210 может со скольжением перемещаться в заданное положение изогнутое основание 110.

Применимы и другие приводные средства. Кроме того, для осуществления перемещения изогнутого основания 110 вдоль направляющей 210 эти средства могут быть дополнены соответствующими электромеханическими средствами, такими, например, как системы на основе реечной передачи, зубчатого ремня или червячной передачи.

Система обеспечения скользящего перемещения содержит также средства 220, позволяющие легко смещать направляющую 210, связанную с изогнутым основанием 110, несущим сеть 100 электромагнитных зондов, относительно исследуемого объекта 400 в любом направлении. Так, направляющая 210 предпочтительно соединена телескопической мачтой 222 с опорой 221, установленной на колеса, рельсы или воздушные подушки, обеспечивающие мобильность устройства 10.

Более конкретно, удлиняя или сокращая с помощью тяги 223 телескопическую мачту 222, можно перемещать сеть 100 электромагнитных зондов, находящуюся на направляющей 210, устанавливая эту сеть на заданную высоту. Мачта состоит из нескольких секций, выполненных с возможностью обеспечения адекватной траектории перемещения основания с тем, чтобы исследуемый объект 400 оказался в геометрическом центре сети 100 зондов.

При этом мачта 222 может содержать средство, позволяющее поворачивать направляющую 210 вокруг своей продольной оси О-О. Кроме того, может быть использовано дополнительное средство, обеспечивающее возможность поворотных и поступательных перемещений направляющей 210 до начала измерений, чтобы точно настроить положение устройства 10 относительно исследуемого объекта 400. При осуществлении измерений некоторые из описанных средств или иные, дополнительные средства могут применяться для осуществления сканирующего перемещения изогнутого основания 110, несущего сеть 100 зондов в соответствии со сферической или цилиндрической геометрией относительно исследуемых зон.

Устройство 10 желательно сделать мобильным для подведения к исследуемому объекту 400, точнее, к конкретным зонам этого объекта, излучение из которых должно быть исследовано.

3. Носитель для исследуемого объекта

Может быть предусмотрен также носитель для исследуемого объекта 400 (не изображен). В составе этого носителя могут иметься средства поворота и поступательного перемещения для помещения исследуемого объекта в зону проведения исследования и настройки его положения в этой зоне, если это необходимо.

В большинстве случаев такой носитель не требуется, поскольку используется адаптация измерительного устройства 10 к исследуемому объекту 400, а не адаптация исследуемого объекта 400 к измерительной системе, как это обычно имеет место применительно к известным измерительным антеннам.

4. Осуществление скользящего перемещения

Механическое скользящее перемещение изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, вдоль направляющей 210 и, соответственно, вдоль поверхности измерений, т.е. проведение измерений для каждого положения на направляющей 210 относительно исследуемого объекта 400, эффективно увеличивает количество точек измерения излучения. Кроме того, расширяется геометрическая зона исследуемого объекта 400, покрываемая измерениями.

Фактически, при скольжении изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, вдоль направляющей 210 из своего начального положения в конечное положение, как это иллюстрируется фиг.2 и 3 соответственно, можно выделить два участка: участок А, в котором смещение изогнутого основания 110 позволяет произвести измерения в геометрической зоне исследуемого объекта 400, отличной от зоны, в которой были проведены предыдущие измерения, и участок В, в котором перемещение изогнутого основания 110 позволит увеличить количество отсчетов, получаемых в процессе измерений.

Разумеется, такое увеличение количества отсчетов может быть обеспечено и на участке А. Скользящее перемещение изогнутого основания 110 вдоль направляющей 210 в пределах участка В приводит к угловому смещению сети 100 электромагнитных зондов относительно исследуемого объекта 400 и позволяет провести при таком сканировании измерения в нескольких положениях сети 100 зондов относительно исследуемого объекта 400. Поэтому становится возможным получить для каждой поверхности измерений несколько групп последовательных точек измерения, соответствующих различным угловым смещениям сети 100 зондов относительно исследуемого объекта 400.

В зависимости от произведенных перемещений, указанные относительные угловые смещения сети 100 электромагнитных зондов и исследуемого объекта 400 могут превысить угловой шаг сети 100 зондов.

Таким образом, скользящие перемещения изогнутого основания 110 вдоль поверхности, в которой расположена сеть 100, способствуют увеличению количества точек электромагнитных измерений вокруг исследуемого объекта 400 и увеличивают угловой диапазон измерений для сети 100 зондов, имеющей заданный шаг. Кроме того, на участке А скользящее перемещение изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, вдоль направляющей 210 позволяет использовать новые точки измерений, соответствующие новому угловому положению сети 100 зондов относительно исследуемого объекта 400, которые не могли быть использованы в предыдущем положении изогнутого основания 110 относительно исследуемого объекта 400.

Следовательно, описанное перемещение изогнутого основания 110 вдоль поверхности измерений позволяет охватить геометрическую зону исследуемого объекта 400, отличную от зоны, исследованной при предыдущем положении изогнутого основания 110.

Таким образом, приводные средства, обеспечивающие возможность скользящего перемещения изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, позволяют производить измерения в нескольких различных взаимных угловых положениях сети 100 зондов и исследуемого объекта 400 в пределах углового интервала, превосходящего угловое расстояние, перекрываемое самой сетью 100 зондов.

Поэтому комбинация изогнутого основания 110, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, с приводными средствами весьма эффективна применительно к объектам значительных размеров, поскольку исключает необходимость конструирования направляющей и/или безэховой камеры с размерами, согласованными с размерами объекта.

Другое преимущество заключается в обеспечении для сети 100 зондов доступа к геометрическим зонам исследуемого объекта 400, обычно считающимся труднодоступными, например, как это показано на фиг.2 и 3, к хвостовой или носовой частям или к нижней стороне фюзеляжа самолета.

5. Другие геометрии

а. Линейная и планарная сети

В одном из вариантов сеть зондов распределена не по изогнутому основанию в форме дуги окружности, а по линейному основанию.

Другими словами, в этом варианте используется система для обеспечения скользящего перемещения, содержащая приводные средства 200 для обеспечения линейного скользящего перемещения сети 100 электромагнитных зондов в направлении, параллельном ее плоскости.

Эти приводные средства для обеспечения скользящего перемещения предпочтительно выполнены с возможностью обеспечения взаимного смещения сети 100 зондов и исследуемого объекта 400 на расстояние, превышающее шаг сети 100 зондов, и осуществления измерений в нескольких различных взаимных положениях сети 100 зондов и исследуемого объекта 400.

Приводные средства могут иметь форму прямолинейной направляющей 210, содержащей средства для приема и фиксации электромагнитных зондов линейной сети 100 в регулируемых положениях, взаимно смещенных вдоль направления ориентации направляющей.

Таким образом, данная направляющая 210 образует поверхность, на которой лежит несущая поверхность линейной сети 100 электромагнитных зондов и относительно которой данная сеть 100 может перемещаться с помощью соответствующих приводных средств.

Как и в случае сети 100 электромагнитных зондов, распределенных по изогнутому основанию в виде дуги окружности, линейное скользящее перемещение сети 100 электромагнитных зондов по линейной направляющей 210 эффективно обеспечивает увлечение количества точек в плоскости измерения, в которых производятся измерения, а также увеличивает размеры геометрической зоны исследуемого объекта 400, покрываемой измерениями.

Как и в случае сети 100 электромагнитных зондов, распределенных по изогнутому основанию, сочетание средств, обеспечивающих поворотные и поступательные перемещения направляющей 210, может быть использовано перед началом измерений для точного позиционирования и настройки положения и ориентации устройства 10 относительно исследуемого объекта 400. В процессе проведения измерений некоторые из этих средств или другие, дополнительные средства могут использоваться для осуществления сканирования (согласно планарной или цилиндрической геометрии) основания 110, несущего сеть 100 зондов, перед некоторыми зонами, подлежащими исследованию, или вокруг них. В другом варианте сеть 100 зондов распределена по опорной плоскости.

Приводным средствам для обеспечения скользящего перемещения может быть придана форма двух взаимно перпендикулярных прямолинейных направляющих, каждая из которых содержит средства, позволяющие принять и разместить сеть 100 электромагнитных зондов в положении, регулируемом по длине направляющей.

Таким образом, указанные приводные средства осуществляют перемещения сети 100 зондов вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, задающих положение плоскости.

b. Сферические и цилиндрические сети

Еще в одном варианте сеть 100 зондов может быть расположена на основании в форме сферического или цилиндрического купола.

В этом случае система обеспечения скользящего перемещения содержит приводные средства 200, осуществляющие скользящее перемещение купола, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, таким образом, чтобы обеспечить измерения полей в сферической или цилиндрической системе координат.

Соответствующие приводные средства для обеспечения скользящего перемещения могут содержать две направляющих в форме дуги окружности применительно к сферическому куполу и комбинацию направляющей в форме дуги окружности и линейной направляющей применительно к цилиндрическому куполу. При этом две указанных направляющих снабжены средствами для приема и закрепления купола, несущего сеть 100 электромагнитных зондов, в регулируемом положении по длине направляющей.

Данные две направляющие должны быть расположены таким образом, чтобы обеспечить перемещения сети 100 электромагнитных зондов во взаимно перпендикулярных направлениях для осуществления измерений полей на сфере или на цилиндре, окружающей (окружающем) объект 400.

Из приведенного описания специалисту будет понятно, что устройство 10, обеспечивающее увеличение количества точек измерений, осуществляемых используемой сетью 100 зондов, а также расширение анализируемой геометрической зоны исследуемого объекта 400 по сравнению с сетью 100 зондов, позволяет определять диаграмму излучения различных исследуемых объектов 400, не накладывая ограничений на размеры объектов, а также обеспечивать доступ к конкретным геометрическим зонам исследуемого объекта, которые обычно считаются труднодоступными для измерений посредством сети 100 зондов.

Комплект средств для осуществления поворотных и поступательных перемещений направляющей 210 позволяет позиционировать, ориентировать и настраивать положение устройства 10 относительно исследуемого объекта 400. Некоторые из этих средств или другие, дополнительные средства могут использоваться в процессе измерений для сканирования основания 110, несущего сеть 100 зондов, перед конкретными анализируемыми зонами или вокруг них в соответствии со сферической, цилиндрической или планарной геометрией.

Описанные характеристики устройства 10 соответствуют концепции "микроволнового глаза", который посредством устройства 10 может быть подведен к исследуемому объекту 400 и наведен на него.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для определения характеристик электромагнитного излучения исследуемого объекта. Устройство (10) для определения характеристик электромагнитного излучения исследуемого объекта, содержащее сеть (100) зондов, приводные средства (200), обеспечивающие скользящее перемещение сети (100) зондов вдоль своего контура с перемещением относительно исследуемого объекта на расстояние, превышающее шаг сети (100) зондов, для осуществления измерений в различных положениях сети (100) зондов относительно исследуемого объекта. Способ определения характеристик электромагнитного излучения исследуемого объекта с использованием устройства (10), содержащего приводные средства (200), обеспечивающие скользящее перемещение сети (100) зондов, включающий позиционирование, ориентирование и настройку положения сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400) и последующее проведение, посредством сети (100) зондов, серии измерений, соответствующих различным положениям сети (100) зондов относительного исследуемого объекта. Причем способ включает операцию скользящего перемещения сети (100) зондов вдоль своего контура относительно исследуемого объекта на расстояние, превышающее шаг сети (100) зондов. Технический результат заключается в возможности измерения излучения от объектов больших размеров на более высоких частотах и с меньшим количеством зондов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Измерительное устройство (10) для определения диаграммы излучения исследуемого объекта, содержащее сеть (100) зондов, состоящую из n зондов, причем n≥2, имеющую заданный угловой шаг и распределенную по изогнутому основанию (110) в форме дуги окружности, установленному на приводные средства (200) системы для обеспечения скользящего перемещения указанной сети,
причем приводные средства (200) выполнены обеспечивающими скользящее перемещение сети (100) зондов с возможностью получения нескольких групп последовательных точек измерения, соответствующих различным угловым смещениям сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400), с охватом геометрической зоны исследуемого объекта (400), отличной от зоны, исследованной при предыдущем положении изогнутого основания (110), за счет сканирующего углового перемещения относительно исследуемого объекта по охватывающей исследуемый объект (400) дуговой траектории, превышающей 180°, с угловыми смещениями сети (100) зондов, превышающими угловой шаг сети (100) зондов,
при этом устройство обеспечивает возможность использовать, за счет скользящего перемещения изогнутого основания (110), несущего сеть (100) зондов, новые точки измерений, соответствующие новому угловому положению сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400), которые не могли быть использованы в предыдущем положении изогнутого основания (110) относительно исследуемого объекта (400).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит средства, выполненные с возможностью осуществления поворотных и/или поступательных перемещений сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400) или его определенной геометрической зоны.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит средства для осуществления поворотных и поступательных перемещений, обеспечивающих, до начала измерений, точное позиционирование, ориентирование и настройку положения направляющей (210), несущей изогнутое основание (110) с сетью (100) зондов, относительного исследуемого объекта (400) или определенной его зоны.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанные приводные средства (200) прикреплены к телескопической мачте (222), соединенной с опорой, установленной на колеса, рельсы или воздушные подушки, обеспечивающие мобильность устройства.

5. Способ определения диаграммы излучения исследуемого объекта с использованием измерительного устройства (10), содержащего сеть (100) зондов, состоящую из n зондов, причем n≥2, имеющую заданный угловой шаг и распределенную по изогнутому основанию (110) в форме дуги окружности, установленному на приводные средства (200) системы для обеспечения скользящего перемещения указанной сети, при этом способ включает:
позиционирование, ориентирование и настройку положения сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400) и последующее получение нескольких групп последовательных точек измерения, соответствующих различным угловым смещениям сети (100) зондов относительно исследуемого объекта (400), с охватом геометрической зоны исследуемого объекта (400), отличной от зоны, исследованной при предыдущем положении изогнутого основания (110), за счет сканирующего углового перемещения относительно исследуемого объекта по охватывающей исследуемый объект (400) дуговой траектории, превышающей 180°, с относительными угловыми смещениями сети (100) зондов, превышающими заданный угловой шаг сети (100) зондов,
при этом скользящее перемещение изогнутого основания (110), несущего сеть (100) зондов, обеспечивает возможность использования новых точек измерений, соответствующих новому угловому положению сети (100) относительно исследуемого объекта (400), которые не могли быть использованы в предыдущем положении изогнутого основания (110) относительно исследуемого объекта (400).