ОТРАЖАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 2016 года по МПК H01Q15/14 G01R29/10 

Изобретение относится к калибровочным устройствам радиолокационных систем (РЛС) для относительных измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов с большим диапазоном значений ЭПР в условиях полигонов открытого типа.

Суть метода относительных измерений заключается в сравнении мощности отраженных от исследуемых объектов сигналов с мощностью сигналов, отраженных от эталонных объектов с известными значениями ЭПР. В качестве эталонов обычно используют отражатели простой формы: металлические сферы, цилиндры, пластины и т.д., значения ЭПР которых могут быть рассчитаны достаточно точно /Е.Н. Майзельс, В.А. Торгованов / Под редакцией М.А. Колосова. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Советское радио, 1972 г., стр. 19-20, стр. 144-145, стр. 178-179, стр. 193-194, стр. 204-213/.

Удобными эталонными отражателями (ЭО) являются сферы, у которых в силу симметрии значения ЭПР постоянны. Однако значения ЭПР сферических отражателей с диаметром до 1 м достаточно малы (не превышают 1 м²), поэтому для калибровки больших уровней в широком диапазоне изменения значений ЭПР удобно применять прямые круговые цилиндры (ПКЦ) с одинаковым радиусом основания и разной длиной /Олин (I.D. Olin). Динамические измерения радиолокационных поперечных сечений. ТИИЭР, 1965 г., т. 53, №8/.

Преимущества ПКЦ состоят в следующем:

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

цилиндр сравнительно легко изготавливается и его значение ЭПР может быть легко рассчитано известными методами;

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

цилиндр не вызывает деполяризацию рассеянного в обратном направлении сигнала.

Известные методы калибровки измерительных РЛС или стендов предусматривают проведение градуировки в величинах ЭПР, например в метрах квадратных или децибелах. Для этого в рабочем объеме поля измерительной РЛС вслед за исследуемым объектом устанавливаются различные ЭО с известной ЭПР. Регистрация отраженных сигналов позволяет установить значения градуировочной кривой и привести их в соответствие с уровнями ЭПР исследуемого объекта. Такие относительные измерения обеспечивают градуирование всей измерительной системы в целом /В.О. Кобак / Под редакцией О.Н. Леонтьевского. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио, 1975 г., стр. 103, 144, 146, 150, 152, 235/.

Аналогичным образом, для калибровки отраженного от исследуемого объекта сигнала ЭО устанавливают на малоотражающей опоре вблизи измерительной РЛС таким образом, чтобы обеспечить возможность поочередного наведения антенны то на отражатель, то на исследуемый объект /А.И. Леонов, С.А. Леонов, Ф.В. Нагулинко и др. / Под редакцией А.И. Леонова. Испытания РЛС. М.: Радио и связь, 1990 г., стр. 37, стр. 51/.

Оба метода являются трудоемкими, так как для обеспечения приемлемой точности калибровки требуют построить калибровочную кривую с шагом порядка 3…5 дБ и использовать большое число (до 10 и более) ЭО /Проверка радиоизмерительных приборов. Сборник инструкций, издание официальное. Стандартгиз, 1961 г./. Калибровки подобным способом проводятся в течение длительного времени, от 15 мин /Н. Джонсон, Ф. Лион. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980 г., стр. 14-19/ до 45 мин /М. Сколник / Под редакцией Я.С. Ицхоки. Справочник по радиолокации. Т. 1. М.: Советское радио, 1976 г., стр. 356-397/, при этом может существенно превышаться интервал долговременной нестабильности основных метрологических характеристик РЛС, что приводит к увеличению погрешности измерений. Не исключаются ошибки в измерении ЭПР, обусловленные неточным размещением каждого отдельного ЭО в рабочем объеме поля, что характерно для полигонов открытого типа. Сокращение времени калибровки за счет использования меньшего числа ЭО приводит к существенному снижению точности калибровки для данных методов.

Заменить большое число различных ЭО может отражатель электромагнитных волн /а.с. СССР №1563547, кл. H01Q 15/14, 28.08.2000 г./, выполненный в виде прямого цилиндра, направляющая которого состоит из участков, симметричных относительно оси цилиндра и имеющих форму логарифмической спирали.

Такой 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 удельной ЭПР до 22 дБ. Однако такая «быстрая» калибровка не лишена ошибок, которые (при справедливости нормального закона распределения) можно характеризовать среднеквадратическим отклонением мгновенных значений ЭПР до 2 дБ. Вторым недостатком данного отражателя является наличие «жестких» требований к его равномерному вращению вокруг продольной оси и строгому соблюдению при этом углового положения в азимутальной плоскости. К третьему недостатку можно отнести тот факт, что при вращении цилиндра вокруг его продольной оси диаграмма обратного отражения имеет малую угловую ширину главного лепестка в плоскости, ортогональной плоскости вращения цилиндра-отражателя. Точная регистрация максимума главного лепестка требует прецизионной угловой привязки и сопряжена с неконтролируемыми ошибками измерения ЭПР в угломестной плоскости.

Из-за перечисленных недостатков данный отражатель практически не пригоден для калибровки РЛС, расположенных на открытых площадках, когда измерительная зона находится высоко над поверхностью земли, а крепление самих отражателей осуществляется с помощью диэлектрических шнуров или нитей. Как итог - такой отражатель не применим для калибровки в условиях открытых измерительных комплексов /М. Сколник / Под редакцией Я.С. Ицхоки. Справочник по радиолокации. Т. 1. М.: Советское радио, 1976 г., стр. 356-397/.

Задача изобретения - упростить процесс калибровки, сократить время ее проведения.

Для решения поставленной задачи предлагается отражатель электромагнитных волн (фиг. 1, А - общий вид, Б - конструкция, В - схема соединения ПКЦ), образованный соединением поверхностей минимум трех проводящих ПКЦ с одинаковым радиусом основания a и разной длиной образующих l, лежащих в одной плоскости, при этом a и l выбираются из соотношения:

a≥0,5λ_ср, l≥4λ_ср,

где λ_ср=(λ_мин+λ_макс)/2 - средняя длина электромагнитной волны излучателей антенн РЛС;

λ_мин и λ_макс - соответственно минимальная и максимальная длина электромагнитной волны излучателей антенн РЛС.

На фиг. 2 представлена конструкция полномасштабного цельнометаллического образца отражателя электромагнитных волн, образованного соединением четырех ПКЦ (Г), а также его фотография (Д).

Радиус основания ПКЦ, образующих данный отражатель, составляет 0,15 м, а длины сторон l₁, l₂, l₃ и l₄ соответственно равны 2,9 м, 1 м, 2 м и 0,5 м.

Заявляемый отражатель образован соединением поверхностей минимум трех ПКЦ, образующие которых лежат в одной плоскости и соединены так, что конец одной образующей является началом следующей. То есть контур тела, полученного соединением ПКЦ с одинаковым радиусом основания а, в плане представляет собой многоугольник со сторонами, длины которых равны длинам образующих (l_i).

При равномерном вращении такого отражателя вокруг центра массы в плоскости, параллельной образующим всех ПКЦ, падающая, перпендикулярно образующей, электромагнитная волна отражается в направлении, обратном падению. Для каждого такого направления максимальное значение ЭПР (σ_m) определяется из выражения /В.О. Кобак / Под редакцией О.Н. Леонтьевского. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио, 1975 г., стр. 103, 144, 146, 150, 152, 235/

где a - радиус основания ПКЦ,

l - длина образующей ПКЦ,

λ - длина падающей электромагнитной волны,

π=3,1415926…

Для дискретного линейного изменения диапазона значений ЭПР согласно выражению (1) длина образующих числа N ПКЦ определяется из соотношения:

l_i=σ_m,i ^1/2, где i=1, 2, …, N,

при условии одинакового радиуса основания a для каждого ПКЦ.

Для расширения диапазона измеряемых величин ЭПР существует возможность применения нескольких отражателей различной формы и волновых размеров (фиг. 3).

На фиг. 3 приведены две группы отражателей (вид в плане): одинаковой формы и разных размеров (Е) и разной формы (Ж). Применение данных групп отражателей позволяет обеспечить возможность калибровки измеряемых значений ЭПР в широком диапазоне значений.

Отражатель электромагнитных волн работает следующим образом.

При равномерном вращении отражателя вокруг центра массы в плоскости, параллельной образующим всех ПКЦ, часть энергии электромагнитной волны, падающей на его боковую поверхность, рассеивается в обратном направлении и измеряется приемным устройством. При прочих равных условиях, величина поля, измеренная приемным устройством, зависит от направления падения электромагнитной волны на поверхность отражателя электромагнитных волн. При некотором угле поворота и перпендикулярном, относительно образующей, падении электромагнитной волны зависимость отраженного в обратном направлении излучения определяется формой отражающей поверхности, в данном случае длиной отдельного ПКЦ (l₁, l₂, l₃ и l₄), образующего отражатель электромагнитных волн. Таким образом, зная геометрию отражателя электромагнитных волн (a и l_i) можно определить значение ЭПР для каждого заданного направления (перпендикулярно образующей) прихода волны и по полученному известному значению откалибровать РЛС или стенд для измерения ЭПР сложных объектов.

На фиг. 4 приведена диаграмма обратного отражения электромагнитных волн от отражателя в диапазоне углов локации 0…360° на длине волны 3 см при горизонтальной поляризации (измерения проводились на Эталонном радиолокационном измерительном комплексе НИЦ [г. Тверь] ЦНИИ Войск ВКО Минобороны России). Максимальные значения ЭПР (в дБ) различных сторон данного отражателя с длинами l₁, l₂, l₃ и l₄ указаны на диаграммах соответственно метками σ_m1, σ_m2, σ_m3 и σm₄.

На фиг. 5 приведено сравнение фрагментов диаграмм обратного отражения эталонных ПКЦ различной длины и отражателя электромагнитных волн. Максимальные значения ЭПР (в дБ) эталонных ПКЦ с радиусом основания 0,15 м и длиной сторон 2 м, 1 м и 0,5 м указаны на диаграммах соответственно метками σ_m5, σ_m6 и σ_m7. Максимальные значения ЭПР (в дБ) различных сторон отражателя с длинами l₂, l₃ и l₄ указаны на диаграммах соответственно метками σ_m2, σ_m3 и σ_m4. Из диаграмм следует, что максимальные значения ЭПР разных сторон отражателя равны максимальным значениям ЭПР эталонных ПКЦ соответствующей длины (σ_m3=σ_m5, σ_m2=σ_m6, σ_m4=σ_m7).

Использование данного отражателя значительно сокращает время проведения калибровки РЛС и повышает ее точность в условиях полигонов открытого типа за счет уменьшения количества установок каждого отдельного ЭО в рабочем объеме поля и его дальнейшего измерения.

На фиг. 6 представлены графики времени проведения калибровки РЛС в условиях полигона открытого типа на примере Эталонного радиолокационного измерительного комплекса (t₁ - время, необходимое для установки такелажной подвески, t₂ - время подъема и установки ЭО в рабочем объеме поля, t₃ - время кругового вращения ЭО, измерения и записи значений его ЭПР в зависимости от ракурса, t₄ - время спуска ЭО на землю).

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.

Отражатель электромагнитных волн для калибровки устройства радиолокационных систем образован соединением поверхностей минимум трех проводящих прямых круговых цилиндров с одинаковым радиусом основания и разной длиной образующих, лежащих в одной плоскости. Причем длина и радиус выбираются с учетом минимальной и максимальной длины электромагнитной волны излучателей антенн радиолокационных систем. Технический результат заключается в упрощении процесса калибровки и сокращении времени ее проведения. 6 ил.

Отражатель электромагнитных волн, образованный соединением поверхностей минимум трех проводящих прямых круговых цилиндров с одинаковым радиусом основания a и разной длиной образующих l, лежащих в одной плоскости, при этом a и l выбираются из соотношения:
a≥0,5λ_ср, l≥4λ_ср,
где
λ_ср=(λ_мин+λ_макс)/2 - средняя длина электромагнитной волны излучателей антенн РЛС;
λ_мин и λ_макс - соответственно минимальная и максимальная длина электромагнитной волны излучателей антенн РЛС.