Установка для измерения эффективной поверхности рассеяния радиолокационных целей в дальней зоне антенны Российский патент 2017 года по МПК G01R1/00 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к установкам для измерения статических радиолокационных характеристик целей, преимущественно для измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР).

Известна измерительная установка для измерения ЭПР радиолокационных целей в дальней зоне [1]. Установка содержит радиолокационную станцию (РЛС) с приемной и передающей синфазными антеннами и устройство крепления целей в измерительной зоне, расположенной в дальней зоне антенн.

Общие признаки аналога и изобретения: РЛС с антенной и устройство крепления целей в измерительной зоне, расположенной в дальней зоне антенн.

Для соблюдения условия измерения ЭПР цели в дальней зоне синфазной антенны минимальная дальность R должна удовлетворять равенству [1]

где R - минимально необходимое расстояние от антенн до цели (дальность);

ψ - расфазировка - отставание фаз поля на краях апертуры цели, как вторичного излучателя, по отношению к фазе поля в ее центре;

L - максимальный размер апертуры цели;

λ - длина волны поля излучения антенны.

При дальности меньше чем R, расфазировка падающего поля на апертуре цели приводит к погрешностям измерения ЭПР. Для того чтобы погрешность измерения синфазной антенной не превышала 2 дБ, расфазировка ψ на апертуре цели не должна превышать π/8, при этом параметр p будет равен двум [1]. В этом случае при измерении ЭПР цели синфазной антенной минимально необходимая дальность определяется по формуле

Известен радиоизмерительный комплекс (ЭРИК), принятый за прототип изобретения, предназначенный для измерения ЭПР целей в дальней зоне синфазных антенн [2]. Комплекс содержит шесть радиолокационных станций (РЛС) с приемно-передающими зеркальными синфазными антеннами и устройство для крепления целей в измерительной зоне, которое расположено в дальней зоне синфазных антенн на расстоянии 780 м. Цель подвешивается на высоте 30 м на стропах, закрепленных на несущем тросе, натянутом между концами двух стальных мачт, высотой 72 м. Дальность до устройства подвески целей была определена по критерию дальности (2).

Общие признаки прототипа и изобретения: РЛС с приемно-передающей антенной и устройство крепления цели в измерительной зоне установки, расположенной в дальней зоне антенны.

Задачей изобретения является разработка конструкции приемно-передающей антенны с оптимальными параметрами, обеспечивающими на апертуре цели поле с амплитудным распределением поля с допустимой относительной неоднородностью на минимальной дальности и увеличение чувствительности РЛС установки, при прочих равных условиях измерения: мощности передатчика РЛС, пороге чувствительности приемника РЛС, одинаковых размерах апертур оптимальной и синфазной антенны и длине волны поля излучения.

Технический результат изобретения - уменьшение дальности при измерении ЭПР целей в дальней зоне и увеличение чувствительности РЛС установки путем оптимальной расфазировки апертуры приемно-передающей антенны.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1а, б. Диаграммы направленности антенны в E плоскости с синфазной прямоугольной апертурой а) и несинфазной б), с квадратичным изменением фаз поля 2π, где обозначено: к - волновое число; в - размер апертуры антенны в E плоскости; θ - угол, образованный электрической осью антенны и линией визирования точки наблюдения на апертуре цели, лежащей в плоскости E.

Фиг. 2а, б, в. Графики зависимости параметра p_E от расфазировки ϕ_E поля на квадратной апертуре антенны, при значениях отношения размеров апертур антенны и цели в/L_E: 0,5 (а), 1,0 (б) и 1,5 (в) и максимальных относительных амплитудных неоднородностей поля на апертуре цели δA_E: 0,5; 1,0, 1,5 и 2,0 дБ.

Фиг. 3а, б. Графики зависимости удельных коэффициентов усиления GH⋅λ/в и GE⋅λ/a несинфазной антенны с квадратной апертурой от расфазировок ϕ_H и ϕ_E поля в апертуре антенны, для разных размеров апертуры в длинах волн λ в H (а) и E (б) плоскостях.

Фиг. 4а, б, в, г. Графики относительного порога чувствительности РЛС установки Q при максимальной относительной амплитудной неоднородности δA: 0,5 дБ (а), 1,0 дБ (б), 1,5 дБ (в) и 2,0 дБ (г) и значении отношения апертур антенны и цели а/L_H: 0,5; 1,0 и 1,5, в зависимости от размера апертуры а антенны в длинах волн. На оси ординат фиг. 4а шкала выполнена логарифмической.

Фиг. 5. Графики зависимости относительного порога чувствительности РЛС установки с несинфазной антенной от максимальной относительной амплитудной неоднородности δA на апертуре цели для разных отношений в/L_E. На оси ординат шкала Q логарифмическая.

Фиг. 6. Продольный разрез несинфазной рупорной антенны. На фигуре введены обозначения: r - длина рупора; в - размер квадратной апертуры антенны; ϕ - расфазировка поля на краю апертуры антенны.

Фиг. 7. Структурная схема измерительной установи по изобретению. На фигуре введены обозначения: 1 - РЛС; 2 - несинфазная антенна; 3 - мачта устройства крепления цели 5; 4 - поворотное устройство; 6 - стропы.

Фиг. 8. Таблица 1, где обозначено: L_E - размер апертуры цели в E плоскости; λ - длина волны поля; a/L_E - отношение размеров апертур антенны и цели в E плоскости; δA - максимальная относительная амплитудная неоднородность поля на апертуре цели; p_E - параметр пропорциональный дальности при измерении ЭПР цели, при заданных значениях L_E, λ, a/L_E, δA; R - дальность соответствующая значению параметра p; Q - порог относительной чувствительности РЛС установки с несинфазной и синфазной антенной; 1/Q - относительная чувствительность РЛС установки с несинфазной и синфазной антенной.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что установка содержит РЛС 1 с приемно-передающей оптимальной несинфазной антенной 2, устройство для крепления цели в измерительной зоне, распложенной в дальней зоне антенны (фиг. 7).

РЛС 1 содержит передатчик, выход которого соединен с входом-выходом приемно-передающей антенны, устройство разделения передаваемых и принимаемых импульсов и приемник, вход которого соединен с выходом-входом приемно-передающей антенны.

Приемно-передающая антенна 2 выполнена оптимальной несинфазной, с отставанием фаз поля на краях апертуры по отношению к фазе поля на электрической оси антенны в пределах трех ÷ четырех радиан (фиг. 6)

Устройство крепления цели 5 выполнено в виде двух мачт 3, поворотного устройства 4 и строп 6 крепления цели.

Известно [3], что диаграмма направленности (ДН) несинфазной антенны шире ДН синфазной с одинаковыми размерами апертур (фиг. 1а, б).

При одинаковых максимальных неоднородностях амплитуды падающего поля на апертуре цели, созданного несинфазной и синфазной антеннами, определим уменьшение дальности, при измерении ЭПР несинфазными антеннами, путем сравнения пороговых значений ЭПР РЛС с такими антеннами.

На основании уравнения радиолокации [4] запишем выражение для порога чувствительности РЛС в значениях ЭПР, обеспечивающего его максимальную чувствительность

где - порог чувствительности приемника РЛС в значениях ЭПР;

q - порог чувствительности приемника РЛС (Вт);

qo - мощность поля в радиоимпульсе (Вт);

R - дальность;

G - коэффициент усиления антенны;

λ - длина волны поля, излучаемого антенной.

Чувствительность РЛС в значениях ЭПР обратно пропорциональна порогу чувствительности РЛС.

На основании формулы (3) запишем формулу для расчета относительного порога чувствительности Q РЛС с несинфазной и синфазной антеннами

где индексом «нс» снабжены величины, относящиеся к несинфазным антеннам, а индексом «с» - к синфазным.

Коэффициент усиления несинфазной антенны G_нс меньше коэффициента усиления синфазной G_c, что приводит к увеличению порога чувствительности РЛС, а уменьшение дальности R_нс уменьшает порог. Степени отношения величин R_нс⁴/G_нс² в формуле (4) разные, поэтому должна существовать оптимальная расфазировка поля в апертуре несинфазной антенны, которая при уменьшении R_нс и G_нс уменьшит порог чувствительности и увеличит чувствительность РЛС.

В приближении Кирхгофа рассчитаем диаграмму направленности рупорной антенны с прямоугольной апертурой. Запишем выражение для поля излучения в ее дальней зоне в H и E плоскостях, с полем двойной кривизны в апертуре антенны [4]

x и y - координаты точки на апертуре антенны;

а и в - размеры прямоугольной апертуры антенны в H и E плоскостях;

и - расстояния от фазовых центров источников облучения до краев апертуры.

Величины и связаны с размерами сторон апертуры антенны а и в и квадратичными расфазировками и поля на ее краях в H и E плоскостях выражениями аналогичными (1)

Известно [3], что в дальней зоне выражения для полей в H и E плоскостях имеют вид

где

где

В этих выражениях обозначено

A=i(1+cosθ)/2λR⋅expiкR.

к - волновое число равное 2π/λ.

C(α) и S(α) - интегралы Френеля, определяемые по формулам

C(α)=∫cos(πt²/2)dt.

S(α)=∫sin(πt²/2)dt, пределы интегрирования от 0 до α.

R, θ, ξ - сферические координаты точки наблюдения.

Выражения, стоящие в фигурных скобках формул (9) и (10), являются диаграммами направленности (ДН) рупорных антенн и в H и E плоскостях и с учетом формул (7) и (8) будут иметь вид

Для определения дальности, при которой относительные неоднородности амплитуды поля на апертуре цели не будут превышать заданных, введем в выражения (11) и (12) явную зависимость расфазировок и поля на краях апертуры цели в H и E плоскостях. Дальность и расфазировки и поля на апертуре цели с размерами и в H и E плоскостях связаны формулами, аналогичными (7) и (8)

Углы и , под которыми видны края апертуры цели в H и E плоскостях из фазового центра антенны, связаны с дальностями , и размерами , соотношениями

Подставим в эти выражения значения дальностей из (13) и (14), получим

Из формул (13) и (14) следует, что величины и связаны с расфазировками и поля на апертуре цели соотношениями

Подставим значения углов и в выражения (11) и (12) и определим квадраты модулей этих выражений. После громоздких преобразований окончательно получим

где

где

Максимальные относительные амплитудные неоднородности поля δA_H и δA_E в дальней зоне несинфазной антенны на апертуре цели в плоскостях H и E определяются из уравнений

Уравнения (24) и (25) устанавливают зависимости максимальных относительных неоднородностей амплитудного распределения поля на апертуре цели в функции дальности, расфазировок поля в апертурах антенны и цели и относительных размеров их апертур.

Для ДН антенн с квадратной апертурой формула (25) в E плоскости, в которой поле однородно по амплитуде, устанавливает более жесткие требования к дальности, чем формула (24) для H плоскости, где амплитуда поля уменьшается к краю апертуры. Поэтому только для плоскости E были рассчитаны графики зависимости параметра , характеризующего допустимую минимальную дальность при измерении ЭПР цели, в зависимости от расфазировки поля в апертуре антенны, при разных максимальных относительных амплитудных неоднородностях поля δA_E на апертуре цели, и отношении размеров апертур антенны и цели a/L. Графики таких зависимостей приведены на фиг. 2а, б, в.

Из графиков следует, что при заданных значениях величин a/L_E и δA_E, при квадратичной расфазировке поля в апертуре антенны параметр меньше, чем для синфазной апертуры при всех значениях относительной амплитудной неоднородности δA_E, следовательно, уменьшается дальность при измерении ЭПР цели, по сравнению с синфазной антенной. Наименьшее значение параметра обеспечивается при расфазировке поля в апертуре антенны от трех до четырех радиан, поэтому такую расфазировку назовем оптимальной.

Для определения порога чувствительности РЛС с несинфазной антенной рассчитаны удельные коэффициенты усиления прямоугольной апертуры GHλ⋅/в и GE⋅λ/a, в зависимости от расфазировок и поля в апертуре, по формулами

где

где

По формулам (26) и (27) рассчитаны значения удельных коэффициентов усиления антенн в зависимости от расфазировок и поля в апертуре антенны для четырех размеров: 5λ, 10λ, 15λ, 20λ. Графики удельных коэффициентов усиления несинфазной антенны с прямоугольной апертурой, в зависимости от расфазировок и полей в апертуре, приведены на фиг. 3а, б.

По значениям удельных коэффициентов усиления коэффициента усиления антенны [3] рассчитывают по формуле

Зависимость относительного порога чувствительности Q РЛС с несинфазной и синфазной антенной определяют по формуле

где индексом «нс» снабжены величины, относящиеся к несинфазным антеннам, а индексом «с» - к синфазным. Формула (29) получена из формулы (4) путем замены отношения R_нс/R_c на тождественное отношение р_нс/р_с.

Графики относительного порога чувствительности Q РЛС для разных значений максимальной относительной амплитудной неоднородности δА на апертуре цели и отношении апертуры антенны и цели в/L_E, в зависимости от размеров апертуры антенны в длинах волн, приведены на фиг. 4а, б, в, г.

Из графиков фиг. 4а, б, в, г видно, что относительный порог чувствительностей полигонов РЛС Q зависит от относительных размеров апертуры антенны и цели в/L_E и максимальной относительной амплитудной неоднородности δA на апертуре цели и не зависит от размеров апертуры антенны в длинах волн.

Зависимости относительного порога чувствительностей Q РЛС от амплитудной неоднородности поля δA для разных отношений апертур антенн и целей а/L_H сведены в графики фиг. 5, из которых видно, что для допустимой относительной амплитудной неоднородности поля δA на апертуре цели равной 1,2 дБ отсутствует зависимость порога чувствительности Q от относительного размера апертур антенны и цели. В этом случае чувствительность РЛС с несинфазной антенной на 8 дБ больше, чем с синфазной, и в 2 раза меньше дальность и габариты установки.

Оптимальным отношением размеров апертур антенны и цели в/L_E, при амплитудной неоднородности поля δA на апертуре цели меньше 1,2 дБ, является антенна с апертурой меньше апертуры цели, а для значений δA больше 1,2 дБ, равенство апертур.

Из графиков фиг. 4 и 5 следует, что для антенны с оптимальной расфазировкой поля на ее апертуре, при отношении в/L_E равном единице и меньше, относительный порог чувствительности Q РЛС меньше единицы, следовательно, уменьшается дальность и габариты установки и увеличивается чувствительность РЛС. Несинфазная антенна, с оптимальной расфазировкой поля в апертуре в пределах 3÷4 радиан, увеличивает чувствительность РЛС на 6÷13 дБ и уменьшает дальность и габариты установки в 1,5÷2 раза, в сравнении с синфазной антенной.

При необходимости увеличения габаритов измеряемых целей на существующих установках синфазные антенны необходимо заменить на оптимальные несинфазные антенны.

На проектируемых установках, с целью уменьшения стоимости и эксплуатационных расходов, целесообразно на РЛС применять оптимальные антенны.

Алгоритм определения параметров установки с оптимальной антенной.

По заданным Заказчиком величинам:

- максимальному размеру L апертуры цели, например, 20λ;

- значению максимальной амплитудной неоднородности поля δA на апертуре цели, например, 0,5 дБ, определяют следующее.

1. Оптимальное отношение размеров апертур антенны и цели в/L, при δA меньше 1,2 дБ, равно 0,5 (фиг. 5 прямая в/L=0,5).

2. Значение относительного порога чувствительности Q РЛС установки при δA=0,5 и в/L=0,5 отсчитывают на оси ординат фиг. 5, которое равно 0,05.

3. По кривой δA=0,5 графика рис. 2а на оси абсцисс отсчитывают значение оптимальной расфазировки в апертуре несинфазной антенны , которое равно четырем радианам, а на оси ординат отсчитывают значение параметра , которое равно 0,3.

4. По значению параметра по формуле (14) рассчитывают дальность R, которая равна 120λ.

Пример реализации изобретения

Оптимальная антенна с расфазировкой поля на ее апертуре в пределах 3÷4 радиан или (0,9÷1,3)π может быть выполнена, например, в виде несинфазной рупорной антенны или зеркальной антенны путем дефоксировки облучателя.

Определим размеры оптимальной рупорной антенны, обеспечивающей расфазировку поля в апертуре в пределах 3÷4 радиан.

Известно [3], что для рупорной антенны с квадратной апертурой расфазировка поля в апертуре определяется по формуле

где в - размер апертуры рупорной антенны;

r - длина рупора;

λ - длина волны поля излучения.

Путем алгебраического преобразования формулы (30) получим формулу для расчета размера апертуры рупорной антенны при расфазировке ϕ поля в апертуре, находящейся в пределах (0,9÷1,3)π, которая имеет вид

где n - число длин волн укладывающихся на длине рупора (r=nλ).

По формуле (31) рассчитан размер апертуры рупорной антенны при длине рупора, равной 20λ, и длине волны поля λ, равной 3 см (r=20 λ=60 см). При этих условиях размер апертуры рупорной антенны должен находиться в пределах 26÷31 см.

В таблице 1 (фи. 8) приведены параметры установки с синфазной и несинфазной антеннами, из которой видно, что измерение ЭПР оптимальной антенной увеличивает чувствительность РЛС установки на 10,5 дБ и уменьшает дальность в 3 раза.

Технический результат изобретения достигнут.

Отличительные признаки изобретения

Антенна выполнена несинфазной, с отставанием фаз поля на краях апертуры, по отношению к фазе поля в ее центре, находящимся в пределах 3÷4 радиан. Кроме того, наибольший размер прямоугольной апертуры рупорной антенны с расфазировкой поля в апертуре, находящейся в пределах 3÷4 радиан, определяют по формуле

где в - наибольший размер прямоугольной апертуры рупорной антенны;

λ - длина волны поля излучения;

n - количество длин волн, укладывающихся на длине рупора.

Литература

[1] - Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М., Советское радио, стр. 86 и 167. 1972.

[2] - Патент RU №2225621 на изобретение «Устройство крепления эталонного отражателя в виде металлической сферы», фиг. 8, 2002.

[3] - Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М., Советское радио, стр. 84, 128, 134. 1957.

[4] - Радиолокационная техника. М., Советское радио, стр. 26. 1949. Перевод с английского.

Установка для измерения эффективной поверхности рассеяния радиолокационных целей в дальней зоне антенны содержит РЛС с приемно-передающей несинфазной антенной и устройство для крепления цели в дальней зоне антенны. Причем отставание фаз поля на краях апертуры несинфазной антенны по отношению к фазе поля в ее центре находится в пределах 3÷4 радиан. Технический результат изобретения по сравнению с измерением ЭПР целей синфазной антенной - уменьшение дальности и габаритов установки в 1,5-2 раза и увеличение чувствительности РЛС установки на 7-13 дБ. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Установка для измерения эффективной поверхности рассеяния радиолокационных целей в дальней зоне антенны, содержащая радиолокационную станцию с приемно-передающей антенной и устройство для крепления цели в дальней зоне антенны, отличающаяся тем, что антенна выполнена несинфазной, с отставанием фаз поля на краях апертуры по отношению к фазе поля в ее центре, находящимся в пределах 3÷4 радиан.

2. Установка для измерения эффективной поверхности рассеяния радиолокационных целей в дальней зоне антенны по п. 1, отличающаяся тем, что наибольший размер прямоугольной апертуры рупорной антенны с расфазировкой поля в апертуре, находящейся в пределах 3÷4 радиан, определяют по формуле

где в - наибольший размер прямоугольной апертуры рупорной антенны;

λ - длина волны поля излучения;

n - количество длин волн, укладывающихся на длине рупора.