Способ пеленгации и устройство для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК G01S3/46 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство.

Известны амплитудные способы пеленгации (US 5541608 G01S 5/04, 30.07.1996 г., US 2427029, 10.04.1942 г.). Недостатком амплитудного способа пеленгации является то, что он не позволяет получить высокой точности пеленгации в широком диапазоне углов из-за низкой крутизны амплитудной пеленгационной характеристики.

Известны фазовые способы пеленгации, в которых для достижения высокой точности требуется большое количество баз и каналов в приемном устройстве (US 5541608 G01S 5/04, 30.07.1996 г., US 2427029, 10.04.1942 г.).

Недостатком фазового способа пеленгации является то, что он является узкополосным и не перестраиваемым.

В патенте US 6061022, G01S 5/04, 09.05.2000 г. описано устройство, реализующее амплитудно-фазовый способ пеленгации.

Недостатком этого устройства является то, что оно также является узкополосным и не позволяет получить высокой точности пеленгации в широком диапазоне частот.

Наиболее близким к предлагаемому является способ фазовой пеленгации (Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., из-во «Советское радио»., 1970, 392 стр. (стр. 6-7, 20-23)), в котором сигнал от цели принимается приемной антенной, а сдвиг фаз между сигналами на выходе парциальных антенн меняется в зависимости от направления отклонения цели относительно равносигнального направления. Этот сигнал непосредственно используется для управления положением антенной системы в процессе пеленгования или в процессе автоматического сопровождения цели. Качество пеленгующих свойств системы определяется крутизной пеленгационной характеристики.

Недостатком представленного решения является то, что для высокой точности определения углового положения цели необходима реализация высокой крутизны пеленгационной характеристики антенной системы, для чего требуется высокая степень идентичности парциальных диаграмм пеленгующей антенны недостижимой в широкой полосе частот при использовании двух антенных систем, объединенных в один пеленгатор.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является пеленгатор описанный в патенте США (US 2427029, 10.04.1942 г.) в котором содержится генератор, соединенный через коммутатор, с приемо-предающими антеннами, расположенными на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, с приводом и датчиком угла поворота, измеритель сдвига фазы между сигналами с выхода антенн, соединенный с вычислителем угла положения цели.

Недостатком пеленгатора является невысокая точность углового положения цели.

Задачей изобретения является повышение точности пеленгации, расширение частотного диапазона, повышение помехоустойчивости работы пеленгатора.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается:

1. Способ пеленгации в процессе обзора пространства, включающий излучение и прием волны от цели, определение сдвига фаз между этими волнами, преобразование сдвига фазы в управляющий сигнал пропорциональный угловому положению цели в каждом положении луча антенны радиолокационной станции, отличающийся тем, что направленная на цель электромагнитная волна, проходит через диэлектрическую пластину полуволновой толщины, расположенную под углом относительно волны, приходящей от цели, а сдвиг фазы определяется между волной от цели, прошедшей через пластину из диэлектрического материала и волной, отраженной от нее.

2. Устройство, содержащее генератор, соединенный через коммутатор с приемо-предающей антенной, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, с приводом и датчиком угла поворота, измеритель сдвига фазы между сигналами с выхода антенн, соединенный с вычислителем угла положения цели, отличающийся тем, что в центре платформы установлена пластина из диэлектрического материала полуволновой толщины, а на подставке, установленной на платформе, закреплена, с возможностью ее поворота относительно центра платформы, приемная антенна, принимающая отраженную волну от пластины.

Авторы установили, что при наклонном падении плоской электромагнитной волны с вектором электрического поля произвольной поляризации на пластину из диэлектрического материала угловая зависимость сдвига фазы между падающей и отраженной волнами составляет 180 градусов (±90 градусов) на частоте, соответствующей половине длины волны для диэлектрической проницаемости пластины, а угловое положение точки «нулевого» сдвига фазы соответствует направлению на цель. Эта угловая зависимость сдвига фазы соответствует пеленгационной зависимости для создаваемого пеленгатора.

На Фиг. 1 представлено расположение пластины из диэлектрического материала с диэлектрической и магнитной проницаемостями в свободном пространстве с диэлектрической и магнитной проницаемостями относительно падающей плоской волны с электрическим вектором под углом относительно нормали к поверхности . В рамках геометрической оптики условно изображено положение отраженного луча под углом и преломленного угла под углом ε.

Для пластины из диэлектрического материала проведено расчетное моделирование сдвига фазы отраженной волны в соответствии с матричным методом, рассмотренным в работе (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.- 720 с.) в виде:

где ; ; ;

;

- длина волны;

с - скорость света;

f - частота измерения;

- угол преломления;

- толщина пластины диэлектрика из диэлектрического материала;

- диэлектрическая проницаемость материала пластины;

- магнитная проницаемость материала пластины;

- для угла падения между , при этом равно количеству слоев и для однослойной пластины равно:

Для параллельной поляризации сдвиг фазы отраженной ТМ волны, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения, равен:

Используя закон Снеллиуса и условия, следующие из Фиг. 1 и предполагая, что материал пластины имеет , запишем для продольной поляризации (ТМ волны):

, ,

Сдвиг фазы отраженной ТМ волны равен:

для перпендикулярной поляризации ТЕ волны, когда вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения:

, ,

Сдвиг фазы отраженной TE волны равен:

Как следует из анализа формулы (6), во всем диапазоне изменений угла падения ТЕ волны скачкообразного изменения сдвига фазы не наблюдается, а, как видно из выражения (4), сдвиг фазы отраженной ТМ волны имеет скачок, возникающий в точке неопределенности функции при условии, когда:

которое выполняется для при и соответствует углу Брюстера (Калитиевский Н.И. Волновая оптика. Учеб. Пособие для ун-тов. Изд. 2-е, испр. И доп.М., «Высшая школа». 1978 г. 383 с.) при отражении ТМ волны от пластины из диэлектрического материала, что соответствует условию пеленгации по прототипу.

Второй скачок сдвига фазы, соответствующий условию:

выполняется для сдвига фазы отраженной, как ТМ, так и ТЕ волн, в точках разрыва функции , тогда аргумент равен ±∞:

или , n=0,1,…N, ,

выполняется для толщины пластины кратной половине длины волны в материале при угле падения волны для обеих поляризаций ТЕ и ТМ волн:

где с - скорость света;

f - частота измерения;

- геометрическая толщина пластины из диэлектрического материала;

- угол падения волны на пластину;

- диэлектрическая проницаемость пластины из диэлектрического материала.

Условие (9) используется в предполагаемом изобретении для расчета параметров пластины при которой выполняется условие скачка сдвига фазы между падающей и отраженной волнами для реализации пеленгационной характеристики.

На фиг. 2 в качестве примера реализации изобретения методом расчетного моделирования показаны совпадающие для двух поляризаций угловые зависимости сдвига фазы между отраженной и падающей волнами при падении плоской волны на пластину с диэлектрической проницаемостью (ε) под углом для частоты f=10 ГГц для обеих поляризаций: ТМ волны с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения, совпадающей с плоскостью пеленга и для ТЕ волны с вектором электрического поля перпендикулярным плоскости падения.

Из фиг. 2 видно, что при выполнении условий соответствующих выражению (9) для пластины из диэлектрического материала с электрической толщиной равной половине длины волны на частоте измерений формируется фазовая пеленгационная характеристика при падении волны от цели под углом .

Источником угловой информации о положении цели в данном способе является угловая зависимость сдвига фазы отраженной волны от полуволновой пластины из диэлектрического материала.

Угловая информация о положении цели извлекается в процессе измерения сдвига фазы между волнами, отраженными от цели: падающей или прошедшей через пластину и отраженной от пластины.

Угловая зависимость сдвига фазы, как пеленгационная характеристика угломерной системы, является нечетной действительной функцией угла прихода волны относительно равносигнального направления.

Измеряемое значение сдвига фазы при переходе от положительного к отрицательному приходу волны изменяется на обратное, так как угловая зависимость сдвига фазы симметрична относительно равносигнального направления.

Волна, принятая приемо-передающей антенной, соответствует суммарному каналу и используется не только в качестве опорного канала, но и для обнаружения цели, а также для измерения дальности до цели и ее скорости.

Отраженная волна используется, как разностный канал для управления положением антенной системы в процессе пеленгования или в процессе автоматического сопровождения.

На фиг. 3 представлена расчетная угловая зависимость ориентации приемной антенны относительно платформы для управления пеленгатором по частоте для пластины с диэлектрической проницаемостью .

На фиг. 3 представлен широкополосный пеленгатор. На платформе 1, вращающейся в плоскости пеленгации, с генератором 2 соединена приемо-передающая антенна произвольной поляризации 3. В центре платформы перпендикулярно плоскости пеленга, расположена пластина из диэлектрического материала 4, установленная на держателе 5, а приемная антенна 6 с плоскостью поляризации соответствующей передающей антенне, принимающая отраженную волну от пластины из диэлектрического материала, установлена на подставке 7 для закрепления антенны под определенным углом относительно центра платформы.

При обнаружении детектором 8 волны от цели происходит уточнение положения цели по сдвигу фазы пеленгатора. Волны от цели через коммутатор 9 и с выхода приемной антенны 6 подаются на измеритель сдвига фазы 10, с выхода которого, сигнал пропорциональный сдвигу фазы, попадает в вычислитель угла положения цели, выполненный на основе процессора 11, в котором с учетом данных об угловом положении платформы, поступающих с датчика углового положения платформы 12, определяется угловое положение цели. Вращение платформы осуществляется управляемым приводом 13, а при сопровождении цели положение платформы управляется по сигналу рассогласования U(α), поступающему с вычислителя угла положения цели, выполненного на основе процессора 11.

На фиг. 4 представлена расчетная угловая зависимость ориентации приемной антенны относительно платформы для управления пеленгатором при перестройке по частоте для пластины с диэлектрической проницаемостью . Изменяя угол расположения приемной антенны относительно центра платформы и пластины, производится перестройка пеленгатора по частоте.

На фиг. 5 представлена блок-схема платформы с геометрическим угловым взаимным расположением элементов конструкции пеленгатора. Пластина из диэлектрического материала 4 закрепляется в центре платформы и располагается под углом α относительно начальной оси ОХ. Цель условно ориентирована под углом β относительно оси ОХ. При наблюдении цели приемо-передающая антенна А1 неподвижно закреплена под углом к нормали относительно пластины и под углом относительно оси ОХ, а приемная антенна А2 также закреплена неподвижно относительно пластины и принимает сигнал от цели, отраженный от пластины и расположена под углом . При повороте платформы направление антенны А1 на цель происходит тогда, когда угол направления на цель равен .

Настройка пеленгатора на частоту производится выбором диэлектрической проницаемости материала пластины, толщины пластины из диэлектрического материала или углом расположения приемной антенны относительно центра платформы.

Таким образом, способ пеленгации и устройство, выполненное по предлагаемому техническому решению, позволяет повысить помехоустойчивость углового обнаружения цели для произвольной поляризации сигналов от цели.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство. Достигаемый технический результат - повышение точности углового обнаружения цели для произвольной поляризации сигналов от цели. Указанный результат достигается за счет того, что способ пеленгации в процессе обзора пространства включает излучение и прием волны от цели, определение сдвига фазы между волной, прошедшей через пластину из диэлектрического материала и отраженной от неё, преобразование сдвига фазы в управляющий сигнал, пропорциональный угловому положению цели в каждом положении луча антенны, при этом волна от цели произвольной поляризации направляется под углом к пластине из диэлектрического материала, электрическая толщина которой кратна половине длины волны. Устройство, реализующее способ, содержит приемо–передающую антенну, пластину из диэлектрического материала, приемную антенну, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, снабженной приводом и датчиком углового положения платформы, соединенным с вычислителем угла положения цели на основе процессора, генератор, соединенный через коммутатор с приемо–предающей антенной и детектором обнаружения цели, измеритель сдвига фазы между сигналами с выхода приемо-передающей антенны через коммутатор и приемной антенны, соединенный с вычислителем угла положения цели, при этом пластина из диэлектрического материала закреплена на держателе с возможностью поворота относительно центра платформы, а приемная антенна установлена на подставке для крепления ее под определенным углом относительно центра платформы. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ пеленгации в процессе обзора пространства, включающий излучение и прием волны от цели, определение сдвига фазы между волной, прошедшей через пластину из диэлектрического материала и отраженной от неё, преобразование сдвига фазы в управляющий сигнал, пропорциональный угловому положению цели в каждом положении луча антенны, отличающийся тем, что волна от цели произвольной поляризации направляется под углом к пластине из диэлектрического материала, электрическая толщина которой кратна половине длины волны.

2. Устройство, содержащее приемо–передающую антенну, пластину из диэлектрического материала, приемную антенну, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, снабженной приводом и датчиком углового положения платформы, соединенным с вычислителем угла положения цели на основе процессора, генератор, соединенный через коммутатор с приемо–предающей антенной и детектором обнаружения цели, измеритель сдвига фазы между сигналами с выхода приемо-передающей антенны через коммутатор и приемной антенны, соединенный с вычислителем угла положения цели, отличающийся тем, что пластина из диэлектрического материала закреплена на держателе с возможностью поворота относительно центра платформы, а приемная антенна установлена на подставке для крепления ее под определенным углом относительно центра платформы.