УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАТРИЦЫ РАССЕЯНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01P1/00 G01S13/00 

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для измерения радиолокационных характеристик целей в натурных условиях, преимущественно элементов матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели в линейном поляризационном базисе.

Известно устройство для измерения «нелинейных» радиолокационных характеристик (RU пат. №2 265 230, G01R 29/08, G01S 13/04, Бюл. №33 от 27.11.2005 г.). Это устройство содержит: задающий генератор, полосовой фильтр, передающую и приемную антенны, регистратор, последовательно соединенные усилитель, гетеродин и блок стабилизации частоты гетеродина. Между приемной антенной и регистратором последовательно соединены разделитель поляризаций и два параллельных приемных канала. Каждый канал состоит из последовательно соединенного смесителя и усилителя приемного канала. Выходы усилителей присоединены к соответствующим входам регистратора, а вторые их выходы подключены к фазовому детектору, выход которого подключен к регистратору. Между задающим генератором и полосовым фильтром введен направленный ответвитель, к боковому выходу которого последовательно подключены усилитель и блок стабилизации частоты гетеродина. Передающая антенна выполнена круговой поляризации излучения. Два выхода гетеродина подключены к смесителям соответствующих приемных каналов, третий выход - к блоку стабилизации частоты и выход полосового фильтра подсоединен к передающей антенне.

Аналог не обеспечивает измерение недиагональных элементов матрицы рассеяния.

Известна двухпозиционная установка для измерения элементов однопозиционной матрицы рассеяния, принятая за прототип изобретения (Майзельс Е.Н, Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. Радио, 1972, рис.5.28). Эта установка имитирует однопозиционные условия измерения и содержит: две близко расположенные приемно-передающие антенны, одна из которых вертикальной, а другая горизонтальной поляризации, два гибридных узла, импульсный модулятор, два усилителя мощности, смеситель высокой частоты (ВЧ), два смесителя промежуточной частоты (ПЧ), два усилителя ПЧ, генератор опорного сигнала, гетеродин, два амплитудных и два фазовых детектора.

Недостатком двухпозиционной установки, имитирующей однопозиционные условия измерения, является наличие двухпозиционного угла между ее антеннами, который вносит искажения истинного положения цели относительно радиолокатора, что сопровождается погрешностями измерения амплитуды вторичного излучения цели и большими погрешностями измерения фазы.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения: приемно-передающая антенна, генератор опорной частоты, гетеродин, смеситель высокой частоты (ВЧ), импульсный модулятор с входом управляющего сигнала и двумя выходами, два усилителя мощности, два ортогональных приемных канала, каждый из которых содержит амплитудный регистратор и последовательно соединенные: смеситель промежуточной частоты (ПЧ), усилитель ПЧ, фильтр ПЧ и фазометр, причем вход амплитудного регистратора соединен с выходом фильтра ПЧ и входом фазометра, кроме того, выход генератора опорной частоты соединен с сигнальным входом смесителя ВЧ и входами опорных сигналов фазометров, выход гетеродина соединен с гетеродинным входом смесителя ВЧ и гетеродинными входами двух смесителей ПЧ, кроме того, выходы импульсного модулятора соединены соответственно с входом управляющего сигнала усилителей мощности.

Техническим результатом изобретения является устранение погрешностей измерения матрицы рассеяния, обусловленных двухпозиционным углом, который достигается за счет применения волноводного направленного разделителя поляризаций, последовательно соединенного с приемно-передающей антенной Е (вертикальной) и Н (горизонтальной) поляризаций, обеспечивающих однопозиционные условия измерения элементов полной матрицы рассеяния.

Матричное уравнение (1), связывающее две ортогональные компоненты Е и Н падающего на цель электромагнитного (ЭМ) поля с соответствующими компонентами поля вторичного излучения цели, имеет вид:

$$\left|\begin{array}{c}Er,x\\ Er,y\end{array}\right|=\left|\begin{array}{c}a\cdot \exp i{\phi }_{xx}\text{ b}\cdot \exp i{\phi }_{xy}\\ c\cdot \exp i{\phi }_{yx}\text{ d}\cdot \exp i{\phi }_{yy}\end{array}\right|\cdot \left|\begin{array}{c}Er,x\\ Er,y\end{array}\right|\text{ (1)}$$

где Ei,x и Ei,y - ортогональные компоненты падающего на цель ЭМ поля;

Еr,х и Еr,у - ортогональные компоненты ЭМ поля вторичного излучения цели;

a-expiϕ_xx, b-expiϕ_xy, c-expiϕ_yx и d-expiϕ_yy - элементы матрицы рассеяния, а, b, с и d - модули соответствующих элементов матрицы рассеяния; ф_уу, ф_хх, ф_ух и ф_ху - аргументы соответствующих элементов матрицы рассеяния.

Матрица М, модули элементов которой выражены в значениях ЭПР, записывается в виде:

$$M=\left|\begin{array}{c}{\sqrt{\sigma }}_{xx},\exp i{\phi }_{yy}{\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{xy}\\ {\sqrt{\sigma }}_{xy},\exp i{\phi }_{yx}{\sqrt{\sigma }}_{xx},\exp i{\phi }_{yy}\end{array}\right|\text{ (2)}$$

где, σ_уу, σ_хх и σ_ух, σ_ху - ЭПР цели при параллельном и ортогональном приеме ЭМ поля вторичного излучения цели в выбранном поляризационном базисе.

Если передающая и приемная антенны совмещены, то на основании теоремы взаимности матрица рассеяния симметрична. В этом случае недиагональные элементы матрицы рассеяния $${\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}$$ и $${\sqrt{\sigma }}_{xy},\exp i{\phi }_{xy}$$ равны и матрица (2) принимает вид:

$$Mca=\left|\begin{array}{c}{\sqrt{\sigma }}_{yy},\exp i{\phi }_{yy}{\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}\\ {\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}{\sqrt{\sigma }}_{xx},\exp i{\phi }_{xx}\end{array}\right|\text{ (3)}$$

Для обеспечения технического результата устройства по изобретению на основании матрицы Мса (3) требуется выполнить прямым методом измерения амплитуды и фазы для пары ортогональных поляризаций ЭМ поля вторичного излучения цели, соответствующих каждому из двух облучений цели одного за другим такими же ортогональными поляризациями ЭМ поля.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства по изобретению.

На фиг.2 представлена фотография волноводного направленного разделителя поляризаций

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что изобретение содержит (фиг.1): 1 - генератор опорной частоты; 2 -гетеродин; 3 - смеситель высокой частоты (ВЧ); 4 - фильтр ВЧ; 5 - Е и Н усилители мощности сигналов ВЧ; 6 - импульсный модулятор; 7 - синхронизатор управляющих импульсов; 8 - волноводный направленный разделитель поляризаций; 9 - приемно-передающую антенну; 10 - два коммутатора; 11 - два смесителя ПЧ; 12 - два усилители промежуточной частоты сигналов (ПЧ); 13 - два фильтра ПЧ; 14 - Е и Н фазометры; 15 - Е и Н амплитудные регистраторы.

Генератор 1 опорной частоты предназначен для создания сигналов с частотой, равной промежуточной частоте приемников, выполнен монохроматическим со стабилизированной частотой f диапазона МГц по известным схемам автогенераторов.

Гетеродин 2 выполнен монохроматическим ВЧ F диапазона ГГц, причем частота F много больше (в 100 и более раз) частоты f сигнала генератора 1 и выполнен по известным схемам автогенераторов.

Смеситель ВЧ 3 предназначен для создания сигнала ВЧ (F+f) путем подачи на его сигнальный вход сигнала частотой f генератора 1, а на гетеродинный вход - сигнала гетеродина частотой F и может быть выполнен на смесительном полупроводниковом диоде.

Фильтр ВЧ 4 служит для выделения из спектра частот на выходе смесителя ВЧ сигнала с частотой F+f путем подавления нижних частот. Фильтр ВЧ может быть выполнен на запредельном волноводе для частот F-f и ниже.

Е и Н усилители мощности 5 сигнала ВЧ могут быть выполнены на лампе бегущей волны (ЛБВ), имеют вход и выход сигнала ВЧ и вход модулирующего сигнала.

Импульсный модулятор 6 предназначен для модуляции сигнала ВЧ усилителей мощности 5 прямоугольными импульсами с длительностью зондирующих ВЧ сигналов (1-0,3 мкс) и может быть выполнен на транзисторах. Модулятор 6 имеет Е, Н вход запускающих сигналов модуляции и два выхода Е и Н зондирующих прямоугольных импульсов.

Синхронизатор 7 предназначен для выработки запускающих коротких импульсов с требуемой скважностью для управления работой модулятора 6 и Е и Н коммутаторов 10, имеет выход Е, Н последовательно передаваемых коротких импульсов Е и Н.

Волноводный направленный разделитель поляризаций 8 (фиг.2) предназначен для разделения на линейные ортогональные поляризации излучаемого антенной 9 ВЧ ЭМ поля и ЭМ поля вторичного излучения цели. Основное плечо разделителя 6 выполнено на волноводе квадратного поперечного сечения (на фиг.1 его сечение обозначено квадратами), в котором могут распространяться только две основных волны ТЕ 10 (Е поляризация) и ТЕ 01 (Н поляризация). Боковые плечи выполнены на волноводах прямоугольного поперечного сечения, в которых могут распространяться только основные волны ТЕ 10 или ТЕ01 (на фиг.1 их сечения обозначены прямоугольниками). Разделитель 6 имеет переходное ослабление каждого плеча 4π±1 дБ, направленность и развязку по поляризациям не менее 25 дБ, рабочую ВЧ f+F.

Приемно-передающая антенна 8 выполнена рупорной с входом и выходом квадратного поперечного сечения с Е и Н поляризациями излучения.

Коммутаторы 10 предназначены для замыкания накоротко входов Е и Н приемных каналов, во время передачи зондирующих импульсов и могут быть выполнены на транзисторах, так как на них приходят зондирующие импульсы, ослабленные более чем на 30 дБ, за счет направленности разделителя поляризаций 6 и удвоенного переходного ослабления.

Смесители ПЧ 11 приемных Е и Н каналов предназначены для преобразования сигналов вторичного ВЧ (F+f) излучения цели в сигнал ПЧ (f).

Усилители 12 сигналов ПЧ могут быть выполнены на транзисторах. Фильтры ПЧ 13 могут быть выполнены на индуктивностях и емкостях по LC-схеме.

Фазометры 14 могут быть могут быть выполнены на фазовых детекторах.

Амплитудные регистраторы 15 могут быть выполнены на амплитудных детекторах.

Соединения блоков устройства по изобретению (фиг.1)

Выход генератора 1 соединен с входами опорных сигналов Е и Н фазометров 14 и сигнальным входом смесителя ВЧ 3.

Выход гетеродина 2 соединен с гетеродинным входом смесителя ВЧ 3 и с входами гетеродинного сигнала смесителей ПЧ 11 Е и Н приемных каналов.

Выход смесителя ВЧ 3 через фильтр ВЧ 4 соединен с входами Е и Н усилителей мощности 5, выходы которых соединены с ортогональными входами основного плеча разделителя поляризаций 8, а его выход соединен с входом антенны 9.

Коммутатор 10, смеситель 11, усилитель ПЧ 12, фильтр ПЧ 13 и фазометр 14 соединены последовательно и образуют приемный Е или Н канал. Вход Е или Н коммутатора 10 соединен соответственно с выходом Е или Н боковых плеч разделителя поляризаций 8. Кроме того, в каждый приемный канал входит амплитудный регистратор 15, вход которого соединен с выходом соответствующего фильтра ПЧ 13 и входом соответствующего фазометра 14.

Выход Е, Н синхронизатора 7 соединен с входом управляющего сигнала модулятора 6 и входами коммутаторов 10 Е и Н приемных каналов.

Выходы Е и Н модулятора 6 соединены с соответствующими управляющими входами усилителей 5 мощности Е или Н.

Работа устройства (фиг.1)

Устройство по изобретению работает следующим образом.

Сигнал генератора 1 опорной частоты f поступает на сигнальный вход смесителя ВЧ 3, а на его гетеродинный вход поступает сигнал гетеродина 2 с частотой F. На выходе смесителя ВЧ 3 образуется сигнал с частотами F±f. Этот ВЧ сигнал поступает на вход фильтра ВЧ 4, на выходе которого отфильтровывается сигнал с частотой F+f, который поступает на входы Е и Н усилителей мощности 5.

С выхода синхронизатора 7 на управляющий вход модулятора 6 и на входы коммутаторов 10 с заданной скважностью в разные измерительные отрезки времени поступают Е или Н односторонние треугольные импульсы. Импульсы запускают модулятор, при этом на одном или другом его выходах появляются прямоугольные модулирующие импульсы, которые модулируют сигналы Е или Н усилителей мощности 5. ВЧ импульсы с усилителей 5 поступают на Е или Н входы основного плеча разделителя поляризаций 8, проходят через него и излучаются антенной в направлении цели.

Коммутаторы 10, управляемые импульсами синхронизатора 7, на время зондирующих импульсов накоротко замыкают входы соответствующих Е или Н приемных каналов, на входе которых зондирующие импульсы ослаблены более чем на 30 дБ развязкой по поляризациям, направленностью разделителя поляризаций и удвоенным переходным ослаблением.

ЭМ поле вторичного излучения цели принимает антенна 7, основное плечо и боковые плечи разделителя поляризаций 6 разделяют его на линейные ортогональные поляризации Е и Н, которые по боковым плечам поступают в Е и Н приемные каналы. На гетеродинные входы смесителей 11 приемных каналов поступает сигнал гетеродина 2 частотой F. В смесителях 11 сигнал гетеродина и сигнал вторичного излучения цели преобразуется в сигнал ПЧ частотой f, равной частоте опорного генератора 1. Далее сигналы ПЧ усиливаются УПЧ 12, фильтруются фильтрами ПЧ 13 и поступают на входы Е и Н фазометров 14 и входы Е и Н амплитудных регистраторов 15.

Устройство по изобретению измеряет абсолютную фазу цели относительно фазы сигнала стабилизированного опорного генератора 1, частота которого f строго равна промежуточной частоте f приемных каналов.

В отрезок времени, необходимый для измерения пары элементов $${\sqrt{\sigma }}_{yy},\exp i{\phi }_{yy}$$ и $${\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}$$ матрицы рассеяния, при излучении антенной 9 ВЧ импульсов Е вертикальной линейной поляризации амплитуда и фаза ЭМ поля вторичного излучения цели в Е измерительном канале соответствует модулям и аргументам элементов матрицы Мса (3) $${\sqrt{\sigma }}_{yy},\exp i{\phi }_{yy}$$ , а в Н канале - $${\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}$$ .

В отрезок времени, необходимый для измерения другой пары элементов V&xx,expi0xx и v&yx,expi0yx матрицы рассеяния, при излучении антенной 9 ВЧ импульсов Н горизонтальной линейной поляризации амплитуда и фаза ЭМ поля вторичного излучения цели в Н измерительном канале соответствует модулям и аргументам элементов матрицы Мса (3) - $${\sqrt{\sigma }}_{xx},\exp i{\phi }_{xx}$$ , а в Е канале - $${\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}$$ - избыточная информация.

Избыточная информация используется для проверки правильности работы устройства, выполненного по изобретению, т.к. модули и аргументы недиагональных элементов $${\sqrt{\sigma }}_{yx},\exp i{\phi }_{yx}$$ в двух независимых измерениях при правильно откалиброванных измерительных Е и Н каналах должны быть равны.

Калибровку измерительных каналов и градуировку шкал их амплитудных регистраторов 15 производят в дБ/м² или в значениях ЭПР с помощью калиброванных аттенюаторов, эталонных отражателей в виде шаров и цилиндров значения ЭПР, которые получают расчетным путем.

Градуировку шкал фазометров 14 производят в электрических градусах или радианах с помощью раздвижной измерительной линии, например, типа «тромбон».

Пример реализации устройства по изобретению

Изобретение изготовлено в соответствии со структурой схемой фиг.1.

Генератор 1 опорной частоты выполнен монохроматическим со стабилизированной частотой f=100 МГц, мощностью 10 мВт по схеме автогенератора.

Гетеродин 2 выполнен монохроматическим ВЧ F=10 ГГц мощностью 50 мВт.

Фильтр ВЧ 4 выполнен на запредельном волноводе для устранения на его выходе частоты F - f и ниже.

Е и Н усилители 5 мощности ВЧ сигналов выполнены на лампе бегущей волны (ЛБВ), мощность зондирующих импульсов 1 кВт, длительность 0,3 мкс.

Импульсный модулятор 6 выполнен по схеме управляемого модулятора на транзисторах, имеет вход управляющего сигнала и два Е и Н выхода.

Синхронизатор 7 выполнен на транзисторах, который вырабатывает со скважностью 100 мкс последовательно Е и Н треугольные импульсы с крутым фронтом, которые запускают модулятор 6 и коммутаторы 10.

Основное плечо волноводного направленного разделителя поляризаций 8 (фиг.2) выполнено квадратного поперечного сечения размером 20×20 мм. Боковые плечи разделителя поляризаций выполнены на волноводах прямоугольного поперечного сечения 23 х 10 мм. Направленность разделителя поляризаций 28 дБ, развязка по поляризациям 30 дБ, переходное ослабление 4 дБ.

Технический результат изобретения достигнут, устранены погрешности измерения элементов матрицы рассеяния, вызванные двухпозиционным углом, за счет применения направленного разделителя поляризаций и приемно-передающей антенны с линейными вертикальной и горизонтальной поляризациями излучения, которые обеспечивают однопозиционные условия измерения матрицы рассеяния.

Отличительные признаки изобретения

Введены волноводный направленный разделитель поляризаций с основным плечом квадратного поперченного сечения и двумя ортогональными боковыми плечами, выполненными на волноводах прямоугольного поперечного сечения, синхронизатор работы устройства, два коммутатора приемных каналов, фильтр высокой частоты, причем антенна выполнена с вертикальной и горизонтальной поляризациями излучения.

Кроме того, выход смесителя ВЧ через фильтр ВЧ соединен с входами усилителей мощности, выходы которых соответственно соединены с ортогональными входами основного плеча направленного разделителя поляризаций, выход которого соединен с входом приемно-передающей антенны, причем выход синхронизатора соединен с входом управляющего сигнала амплитудного модулятора и входами коммутаторов.

Кроме того, входы коммутаторов соединены с соответствующими выходами боковых плеч направленного разделителя поляризаций, а их выходы с соответствующим сигнальным входом смесителей приемных каналов.

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для измерения радиолокационных характеристик целей. Технический результат изобретения - устранение погрешностей измерения элементов матрицы рассеяния, вызванных условиями двухпозиционного приема, за счет применения волноводного направленного разделителя поляризаций и приемно-передающей антенны с вертикальной и горизонтальной поляризациями излучения, которые обеспечивают однопозиционные условия измерения матрицы рассеяния с абсолютной фазой цели. Для этого устройство содержит приемно-передающую антенну с вертикальной и горизонтальной поляризациями излучения, волноводный направленный разделитель поляризаций с основным плечом квадратного поперченного сечения и двумя ортогональными боковыми плечами, выполненными на волноводах прямоугольного поперечного сечения, синхронизатор работы устройства, импульсный модулятор, два усилителя мощности, смеситель высокой частоты (ВЧ), генератор опорной частоты, гетеродин, два ортогональных приемных канала, каждый из которых содержит: амплитудный регистратор и последовательно соединенные: коммутатор, смеситель промежуточной частоты (ПЧ), усилитель ПЧ, фильтр ПЧ и фазометр. 2 ил.

Устройство для измерения матрицы рассеяния, содержащее приемно-передающую антенну, генератор опорной частоты, гетеродин, смеситель высокой частоты (ВЧ), импульсный модулятор с входом управляющего сигнала и двумя выходами, два усилителя мощности, два ортогональных приемных канала, каждый из которых содержит амплитудный регистратор и последовательно соединенные: смеситель промежуточной частоты (ПЧ), усилитель ПЧ, фильтр ПЧ и фазометр, причем вход амплитудного регистратора соединен с выходом фильтра ПЧ и входом фазометра, кроме того, выход генератора опорной частоты соединен с сигнальным входом смесителя ВЧ и входами опорных сигналов фазометров, выход гетеродина соединен с гетеродинным входом смесителя ВЧ и гетеродинными входами двух смесителей ПЧ, кроме того, выходы импульсного модулятора соединены соответственно с входом управляющего сигнала усилителей мощности, отличающийся тем, что введены волноводный направленный разделитель поляризаций с основным плечом квадратного поперченного сечения и двумя ортогональными боковыми плечами, выполненными на волноводах прямоугольного поперечного сечения, синхронизатор работы устройства, два коммутатора приемных каналов, фильтр высокой частоты, причем антенна выполнена с вертикальной и горизонтальной поляризациями излучения, кроме того, выход смесителя ВЧ через фильтр ВЧ соединен с входами усилителей мощности, выходы которых соответственно соединены с ортогональными входами основного плеча направленного разделителя поляризаций, выход которого соединен с входом приемно-передающей антенны, причем выход синхронизатора соединен с входом управляющего сигнала амплитудного модулятора и входами коммутаторов, кроме того, входы коммутаторов соединены с соответствующими выходами боковых плеч направленного разделителя поляризаций, а их выходы с соответствующим сигнальным входом смесителей приемных каналов.