Широкополосный пеленгатор Российский патент 2024 года по МПК G01S3/02 

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

Известен амплитудный способ 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.

Известен фазовый способ пеленгации, в котором 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 не позволяет получить высокой точности пеленгации в широком диапазоне частот.

Возможно комплексирование (объединение) этих способов и достижение при этом высокой точности в широком диапазоне углов при небольшом количестве баз и каналов и, следовательно, при минимальных массогабаритных соотношениях радиопеленгатора. В патенте US 6061022, G01S 5/04, 09.05.2000 г. описано устройство, реализующее амплитудно-фазовый способ пеленгации. Недостатком этого способа пеленгации является то, что он не позволяет получить высокой точности пеленгации в широком диапазоне частот.

Известен 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. Для идеального пеленгатора изменение сдвига фазы в пределах ±90 градусов относительно равносигнального направления должно происходить с максимально возможной крутизной.

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 техническим решением является широкополосный пеленгатор по патенту РФ №2699079 опуб. 03.09.2019 «Способ пеленгации и широкополосный пеленгатор для его осуществления», содержащий 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 под углом Брюстера относительно волны, излучаемой линейно–поляризованной приемо-передающей антенной, причем её плоскость поляризации ориентирована так, что вектор электрического поля антенны лежит в плоскости пеленгации, совпадающей с плоскостью падения падающей волны от цели на диэлектрическую пластину, а линейно–поляризованная приемная антенна, принимающая отраженную волну от диэлектрической пластины, установлена на платформе неподвижно относительно пластины под удвоенным углом Брюстера относительно падающей волны от цели.

Недостатком прототипа является использование в качестве материала пластины диэлектрика, у которого диэлектрическая проницаемость зависит от частоты. Так как величина угла Брюстера зависит от значения диэлектрической проницаемости материала пластины, то положение угла Брюстера соответствующее направлению на цель изменяется при изменении частоты работы пеленгатора, что приводит к неточности определения углового положения цели.

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

Поставленная задача достигается тем, что предложен широкополосный пеленгатор, содержащий пластину, генератор, соединенный через коммутатор, с приемо–предающей линейно-поляризованной антенной, причем её плоскость поляризации ориентирована так, что вектор электрического поля антенны лежит в плоскости пеленгации, совпадающей с плоскостью падения падающей волны от цели на пластину, приемную линейно-поляризованную антенну с плоскостью поляризации совпадающей с передающей антенной, установленную неподвижно под углом относительно нормали к пластине, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, с приводом и датчиком угла поворота, и измерителем сдвига фазы между сигналами с выхода антенн, соединенным с вычислителем угла положения цели, отличающийся тем, что пластина выполнена из металла.

Авторы установили, что при отражении плоской линейно–поляризованной электромагнитной волны с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения, от металлической пластины существует угол, при котором в угловой зависимости амплитуда падает до нуля, а угловая зависимость фазы между падающей и отраженной волнами составляет 180 градусов (±90 градусов) и величина этого угла не зависит от частоты падающего поля, потому что формируется за счет интерференции отраженной волны от пластины металла и волны напрямую приходящей от цели. Эти угловые зависимости амплитуды и фазы соответствуют пеленгационным зависимостям для искусственно создаваемых антенных пеленгаторов.

Проведено расчетное моделирование сдвига фазы отраженной волны при падении плоской волны под произвольным углом на пластину диэлектрика.

Для пластины, представленной на Фиг. 1, расчетное моделирование фазы отраженной волны от пластины с переменными электродинамическими параметрами проведено в соответствии с матричным методом, рассмотренным в работе [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973.- 720 с.] в виде:

(1)

где –для угла падения на l границу раздела между слоями, при этом равно количеству слоев, но и для однослойной пластины равно:

(2)

где , , ,

, –толщина слоя,

Фаза отраженной ТМ волны равна:

(3)

Существует при

) (4)

Фаза отраженной TЕ волны равна:

(5)

Существует при

) (6)

Следует отметить, что полученные значения угла Брюстера из неопределенности в выражении скачка сдвига фазы, полученные в формулах (4) и (6) для различных поляризаций идентичны формулам, приведенным в работе [Веселаго В.Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Успехи физических наук, 2003, Т.173, №7,-С.790-794.]:

(7)

(8)

при положительном знаке перед функцией arcos:

) (9)

) (10)

что позволяет сделать вывод о том, что минимум амплитуды отраженной волны совпадает с изменением сдвига фазы отраженной волны на π.

При использовании формул (9) и (10) анализ допустимых значений функции arccos позволяют более понятно оценить зоны выполнения условий существования угла Брюстера в области изменений электродинамических параметров пластины материала.

На Фиг.2 в области изменения электродинамических параметров пластины материала показаны зоны выполнения условий существования угла Брюстера для ТМ и ТЕ поляризаций падающей волны.

Для ТМ поляризации указаны зоны I и II, в которых , а для поляризации ТЕ указана зона III в которой .

Зона I отличается тем, что кроме условия в ней выполняется условие , которое соответствует диамагнитным веществам и не противоречит физической возможности изменения .

Из Фиг. 2 можно сделать обратный вывод о том, что при наблюдении для ТЕ-поляризации угла Брюстера величина магнитной проницаемости больше величины диэлектрической проницаемости материала пластины, а для ТМ-поляризации наоборот. Рассмотрение диапазона изменения магнитной проницаемости в зоне I для ТМ-поляризации не исключает выполнения условий наблюдения угла Брюстера и соответствующего ему скачка фазы на π для материалов таких, как металлы.

На фиг. 3 и 4 показаны угловые зависимости амплитуды и сдвига фазы отраженной волны при падении плоской линейно-поляризованной волны, когда вектор электрического поля лежит в плоскости падения, на металлическую пластину для которых отмечается падение амплитуды до нуля и изменение фазы на 180 град. Видно, что угловые зависимости амплитуды и сдвига фазы, представленные на фиг. 3 и 4, характерны для разностного канала фазового пеленгатора.

Из фиг. 4 видно, что формируется пеленгационная характеристика, на основе которой создается широкополосный пеленгатор.

Источником угловой информации в данном техническом решении является угловая зависимость сдвига фазы отраженной волны от металлической пластины, установленной под углом, определяемым в эксперименте.

Угловая информация извлекается в процессе измерения сдвига фазы между волнами, приходящей от цели и отраженной от пластины металла.

Выполняются три постулата условий моноимпульсной радиолокации о формировании пеленгатора.

Угловая информация извлекается в виде отношения и не зависит от абсолютного уровня амплитуд принятых сигналов.

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.

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

На фиг.5 представлен широкополосный пеленгатор. На платформе 1, вращающейся в плоскости пеленгации, с генератором 2 установлена линейно-поляризованная приемо–передающая антенна 3 с вектором электрического поля, лежащим в плоскости пеленгации. В центре платформы перпендикулярно плоскости пеленга, расположена металлическая пластина 4, а приемная линейно-поляризованная антенна 5 с вектором электрического поля, лежащим в плоскости пеленгации, и принимающая отраженную волну от металлической пластины, установлена на платформе неподвижно относительно пластины под удвоенным углом Брюстера относительно падающей волны от цели. При обнаружении детектором 6 волны от цели, происходит уточнение положения цели по сдвигу фазы пеленгатора. Волны от цели через коммутатор 7 и с выхода приемной антенны 5 подаются на измеритель сдвига фазы 8 с выхода которого сигнал пропорциональный сдвигу фазы попадает в вычислитель угла положения цели, выполненный на основе процессора 9, в котором с учетом данных об угловом положении платформы, поступающих с датчика углового положения платформы 10, определяется угловое положение на цель. Вращение платформы осуществляется управляемым приводом 11, а при сопровождении цели положение платформы управляется по сигналу рассогласования, поступающему с вычислителя угла положения цели или процессора 9 U(α).

На фиг. 6 представлена блок–схема платформы с геометрическим угловым взаимным расположением элементов конструкции пеленгатора. Пластина из металла устанавливается в центре платформы и располагается под углом α относительно начальной оси ОХ. Цель условно ориентирована под углом β относительно оси ОХ. При наблюдении цели приёмо–передающая антенна А1 неподвижно закрепленная под углом аналогичным углу Брюстера к нормали относительно пластины и под углом относительно оси ОХ, а приемная антенна А2 также закреплена неподвижно относительно пластины и принимает сигнал цели, отраженный от металлической пластины и расположена под углом . При повороте платформы направление антенны А1 на цель происходит тогда, когда углы ориентации антенн равны: ,

а угол направления на цель равен .

При появлении волны отраженной от цели на вход измерителя сдвига фазы 8 поступают волны от цели: прошедшей волны и отраженной от пластины 4. По изменению сдвига фазы между этими волнами уточняется

Таким образом, способ пеленгации и широкополосное устройство, выполненное по предлагаемому техническому решению, позволяет повысить точность углового обнаружения цели при работе в широком диапазоне частот.

Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство. Сущность: предложен широкополосный пеленгатор, содержащий пластину, генератор, соединенный через коммутатор, с приемо–передающей линейно-поляризованной антенной, причем её плоскость поляризации ориентирована так, что вектор электрического поля антенны лежит в плоскости пеленгации, совпадающей с плоскостью падения падающей волны от цели на пластину, приемную линейно-поляризованную антенну с плоскостью поляризации совпадающей с передающей антенной, установленную неподвижно под углом относительно нормали к пластине, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, с приводом и датчиком угла поворота, и измерителем сдвига фазы между сигналами с выхода антенн, соединенным с вычислителем угла положения цели, при этом пластина выполнена из металла. Технический результат: повышение точности пеленгации, расширение частотного диапазона, повышение помехоустойчивости работы пеленгатора. 6 ил.

Широкополосный пеленгатор, содержащий пластину, генератор, соединенный через коммутатор, с приемо–передающей линейно-поляризованной антенной, причем её плоскость поляризации ориентирована так, что вектор электрического поля антенны лежит в плоскости пеленгации, совпадающей с плоскостью падения падающей волны от цели на пластину, приемную линейно-поляризованную антенну с плоскостью поляризации совпадающей с передающей антенной, установленную неподвижно под углом относительно нормали к пластине, расположенные на платформе, вращающейся в плоскости пеленгации, с приводом и датчиком угла поворота, и измерителем сдвига фазы между сигналами с выхода антенн, соединенным с вычислителем угла положения цели, причем пластина выполнена из металла.