УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2024 года по МПК G01R29/00 

Заявляемое изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны.

Известен способ измерения ЭПР с использованием импульсной локации, включающий помещение исследуемого объекта в поле, излучаемое импульсным локатором, измерение рассеянной мощности и сравнение ее с мощностью, рассеянной эталонными отражателями (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио». 1972. С. 166-174). Однако данный способ позволяет измерять ЭПР только в случаях, когда мощность полезного сигнала выше мощности фоновых отражений, т.е. ЭПР исследуемого объекта выше ЭПР фона.

Существуют способы и устройства, которые могут решить эту проблему.

Известен способ, основанный на облучении линейной эквидистантной решетки (ЛЭР), составленной из одинаковых и одинаково ориентированных объектов, и приеме рассеянного на ней сигнала, по которому судят об ЭПР отдельного объекта (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975. С. 219).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является известное устройство для измерения ЭПР радиолокационных объектов (SU, авторское свидетельство №491111, МКИ G01R 29/10, 1975 г. - прототип). Конструкция данного устройства проиллюстрирована на фиг. 1. Устройство содержит передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором закреплена ЛЭР 6 из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов 5 с шагом d, при этом нормаль к решетке, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от решетки волны лежат в одной плоскости.

Достоинством данного устройства является обеспечение возможности высокоточных измерений ЭПР объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны. Полагают, что в максимумах отражения от ЛЭР ее ЭПР близка к ЭПР уединенного объекта, умноженной на квадрат их числа. Требуемый для измерений ЭПР с заданной точностью уровень превышения мощности отраженного сигнала над фоном достигается путем увеличения числа объектов в решетке.

Однако известное устройство обладает существенным недостатком. Оно не позволяет с требуемой точностью измерять ЭПР радиолокационных объектов со сверхмалыми уровнями отражений: в этом случае необходима решетка с таким большим числом объектов, что ее линейный размер будет превышать размер зоны измерения.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размер которых соизмерим или меньше длины волны.

Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является увеличение отношения сигнал-фон при измерениях ЭПР с помощью ЛЭР, линейный размер которой ограничен размером зоны измерений.

Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в устройстве для измерения ЭПР радиолокационных объектов (фиг. 1), содержащем передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором закреплена ЛЭР из N одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов, измеряемые радиолокационные объекты размещают в ЛЭР длиной L≤сτ/3, с шагом d=nλ/2, где с - скорость электромагнитной волны в свободном пространстве; τ - длительность импульса радиоизлучения; n=1, 2, 3,…, - целое положительное число; λ - длина волны радиоизлучения, при этом ЛЭР располагают так, чтобы ее ось совпадала с нормалью к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны.

Из методики построения ЛЭР для измерения с заданной точностью сверхмалых уровней ЭПР объектов (Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. // РЭ, 1995. Т. 40. №9. С. 1346) известна зависимость ошибки измерения ЭПР δ₁ от отношения размера зоны измерения к линейному размеру ЛЭР в направлении максимального отражения:

где ƒ₀(t)=;

π=3,1415926…;

L - линейный размер ЛЭР;

R₀ - дальность локации;

θ_0,5 - ширина гауссовской диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности.

Из (1) следует, что увеличение мощности максимального отражения ЛЭР за счет увеличения линейных размеров ЛЭР приводит к неприемлемым ошибкам измерения сверхмалых значений ЭПР одиночного объекта.

Для решения поставленной задачи проанализируем диаграммы обратного отражения (ДОО) ЛЭР.

Предположим, что моностатическая ЭПР каждого из двух объектов ЛЭР в отдельности соответственно равна σ₁ и σ₂, а их фазовые центры рассеяния смещены относительно геометрического центра на величину λ/4. В соответствии с выражением σ=4πR₀|E_s/E_i|² (E_r и E_i - напряженность рассеянного и падающего поля) моностатическая диаграмма обратного отражения ЛЭР из двух одинаковых (σ₁=σ₂=σ₀) объектов измерения, расположенных друг от друга на расстоянии d запишется как

σ(θ)=σ_mcos²(kd sinθ),

где σ_m=N² σ₀;

N=2;

K=2π/λ;

θ - угол локации относительно нормали к ЛЭР.

ДОО системы из двух идеально проводящих точечных отражателей при d=4λ может служить наглядной иллюстрацией явления, которое в литературе называют «эффектом маргаритки» (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975. С. 215).

Все лепестки ДОО имеют одинаковый уровень и отличаются только по ширине. Если d>λ, то число лепестков, приходящихся на единицу азимутального угла, равна n=1/Δθ=4d/λ, cosθ (рад^-1), где Δθ - угловая ширина лепестков.

Вблизи направления, перпендикулярного оси ЛЭР (θ=0°) плотность лепестков максимальна. Самые широкие лепестки образуются в направлениях θ=±π/2, где Δθ_m≈ (рад). Из данного примера следует, что максимум отражения можно получить при осевом облучении ЛЭР, если шаг решетки выбирается кратным половине длины волны.

Также известно (Вакин С.А., Шустов JI.H. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: «Сов. радио». 1968. С. 275), что размеры зоны измерения или по-другому - импульсного объема V (фиг. 2), куда помещается ЛЭР, определяется длительностью импульса и шириной диаграммы направленности измерительной радиолокационной станции (РЛС), т.е.

V=R₀θ₀.₅R₀ϕ₀.₅cτ/2, (2)

где R₀ - расстояние от измерительной РЛС до импульсного объема (дальность локации);

θ_0,5; ϕ_0,5 - ширина гауссовской диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности соответственно для азимутальной и угломестной плоскости;

τ - длительность импульса измерительной РЛС;

с - скорость электромагнитной волны в свободном пространстве.

Импульсные измерительные РЛС позволяют наиболее удобно осуществлять селекцию рассеяний измеряемой ЛЭР и мешающих отражателей, находящихся в ее окрестности. Естественно, что при укорочении (снижении длительности) импульса селектирующая способность измерительных РЛС улучшается, однако выбирать импульсы очень короткими нельзя из-за того, что измеренная величина ЭПР ЛЭР будет отличаться от ЭПР, измеренной в поле монохроматической волны. Для того, чтобы результаты измерений имели допустимую погрешность, необходимо выбирать длительность импульса такой, чтобы τ≥3L/c, где L - линейный размер ЛЭР (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио». 1972. С. 166). Учитывая (2) и требования к допустимой погрешности длина ЛЭР выбирается исходя из соотношения L≤сτ/3.

Например, для измерительных РЛС, входящих в состав открытого Эталонного радиолокационного измерительного комплекса ЦНИИ ВКС Минобороны России («Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК)». Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. М.: "Оружие и технологии". 2004. С. 385.) средняя длительность импульса τ составляет порядка 0,4 мкс, расстояние от измерительной РЛС до импульсного объема R₀≈800 м. Указанные характеристики обеспечивают формирование импульсного объема протяженностью до 60 м с поперечными размерами зоны измерительного поля до 10 м по уровню спада минус 3 дБ. Очевидно, что продольный размер однородного измерительного поля в шесть раз больше поперечного размера, что позволяет ограниченный линейный размер исходной ЛЭР увеличить, одновременно выставляя размер шага решетки по отношению к длине волны таким, чтобы все лепестки круговой ДОО ЛЭР имели одинаковый уровень.

Обзор компактных измерительных полигонов на основе безэховой камеры (БЭК) показал (Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин B.C. Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния объектов М.: «Наука». 2007. С. 50, 51), что объем зоны измерений может иметь вид кругового или эллиптического цилиндра. Размеры такой зоны как в диаметре, так и в длину почти одинаковы и могут изменяться от 1 м до 6 м и более в зависимости от размеров коллиматорного устройства.

Наиболее распространенный в России компактный измерительный полигон МАК-5, работающий в диапазоне 1…40 ГГц, имеет размеры рабочей зоны в диаметре и в длину порядка 1,8 м (Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: "Радио и связь". 1982. С. 20). Из обзора следует, что преимущество предлагаемого устройства в полной мере не распространяется на безэховые камеры из-за ограниченного размера зоны измерений.

Принцип действия предлагаемого устройства основывается на следующем. ЛЭР, составленная из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов измерения, размещенных с шагом d=nλ/2, (λ - длина электромагнитной волны) помещается в радиолокационное поле под углом к измерительной установке (фиг. 1)

где n=1, 2, 3…

λ - длина волны;

d - расстояние между объектами в ЛЭР;

θ_i - угол падения излученной передатчиком электромагнитной волны на решетку;

θ_s - угол отражения электромагнитной волны от решетки в направлении приемника;

θ - угол между нормалью к решетке и биссектрисой угла разноса приемной и передающей антенн.

Рассеянную ЛЭР под углом θ=90° мощность определяют путем сравнения с эталоном ее ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением измеренного значения на квадрат числа объектов решетки.

Использование ЛЭР, составленной из объектов с шагом d=nλ/2, где n=1, 2, 3… позволяет в направлениях синфазного сложения полей для ЛЭР, задаваемых выражением (3) и приводящих к образованию вторичных дифракционных лепестков, в том числе при θ=90° за счет синфазного сложения амплитуду рассеянных ими полей увеличить полезный сигнал, рассеянный объектами измерения до уровня, значительно превышающего уровень фона используемой измерительной установки.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов, отличающаяся от известного устройства заданными длиной и шагом ЛЭР, а также ее положением относительно приемного и передающего блоков.

Устройство для измерения ЭПР радиолокационных объектов работает следующим образом.

ЛЭР из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов измерения размещают в радиолокационном поле и вращают вокруг ее вертикальной оси 7 так, что нормаль к оси вращения и к ЛЭР, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки волны лежат в одной плоскости (фиг. 1).

Излучаемые передающим блоком радиоволны рассеиваются на ЛЭР и через приемный блок регистрируются регистратором. При рассеянии радиоволн на ЛЭР происходит следующее. Разность хода волн, падающих на соседние объекты, составляет

Δ_i=dsinθ_i;

для волн, рассеянных этими же объектами

Δ_s=dsinθ_s;

суммарная - Δ_i+Δ_s=d (sinθ_i+sinθ_s).

Если разность фаз составит целое число периодов, т.е.

d(sinθ_i+sinθ_s)=nλ,

то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал в направлении θ увеличивается по мощности в N² раз. При d=nλ/2 в ДОО ЛЭР формируется больше одного главного дифракционного лепестка (фиг. 5 j). Если учесть, что размеры радиолокационных объектов меньше длины волны, то в осевом направлении, при шаге ЛЭР кратном половине длины волны (d=nλ/2, n=1,2,3,…) амплитуды полей, рассеянных всеми объектами также складываются и полезный сигнал в направлении θ=90° увеличивается по мощности в N² раз.

Кроме того, при выполнении этого условия влияние переотражений между объектами на максимум ЭПР дифракционного лепестка решетки мало, и он близок к ЭПР уединенного объекта σ₀, умноженной на число объектов в квадрате (N²).

Таким образом, используя ЛЭР, составленную из идентичных объектов измерения с шагом d=nλ/2, можно измерить ЭПР исследуемых объектов с уровнем, меньшим уровня фоновых отражений.

Проверка предлагаемого технического решения проведена путем численного эксперимента с помощью программы электродинамического моделирования CST (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 126-136). Были сформированы модели линейных эквидистантных решеток, состоящих из 7 одинаковых проводящих микросфер диаметром λ/6 с разным шагом d: d=λ/2 обозначен как ƒ; d=λ обозначен как h; d=1,3λ обозначен как k (фиг. 4). Длина волны радиоизлучения λ=3,1 см.

Результаты математического моделирования ЭПР решеток приведены на фиг. 5. Рассчитанные ДОО исходной ЛЭР (k) из 7 объектов измерения, а также предложенной ЛЭР (h и ƒ) с тем же числом объектов представлены в виде угловых ДОО в секторе 0…90°. Подтверждается, что при d=nλ/2 полезный сигнал в направлении θ=90° увеличивается по мощности в N² раз.

Отличием предлагаемого устройства измерения ЭПР объектов от прототипа является то, что измеряется значение ЭПР дифракционного лепестка сформированного вдоль оси решетки (θ=90°).

На фиг. 6 приведена ДОО ЛЭР с d=λ. В угловом секторе 0…90° наблюдается три дифракционных лепестка при углах θ=0° (r), θ=30° (j) и θ=90° (z). Все они одинаковы по ЭПР для случая, когда длина ЛЭР не превышает размер зоны измерения. Если линейный размер ЛЭР больше размера зоны измерения (фиг. 3), то имеем ошибки измерения ЭПР в направлениях максимального отражения. На фиг. 6 приведены результаты теоретической оценки уменьшения значений ЭПР дифракционных лепестков при θ=0° (r) на 2,9 дБ и θ=30° (j) на 1,2 дБ за счет ошибок относительно значения ЭПР осевого дифракционного лепестка θ=90° (z), для которого ошибки исключены.

Необходимо отметить, что разворот и облучение ЛЭР вдоль оси дополнительно устраняют сопутствующие фоновые отражения от ее плоского основания.

Таким образом, технический результат достигнут: уменьшены ошибки измерения ЭПР дифракционных лепестков при измерениях ЭПР объектов с помощью ЛЭР, линейный размер которой ограничен размером зоны измерений.

Задача изобретения решена: заявляемое устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов позволяет повысить точность измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размер которых соизмерим и меньше длины волны.

Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей и заключается в изменении размещения объектов измерения в одной и той же решетке, а также ее осевой ориентации на приемо-передающий блок.

Использование: изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния различных объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны. Технический результат: повышение точности измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов. Сущность: устройство основано на измерении значений эффективной площади рассеяния дифракционных максимумов сигналов, отраженных от решетки, составленной из этих объектов и содержит передающий и приемный блок, соединенный с регистратором, опорно-поворотный блок, на котором закреплена эквидистантная решетка установленной длины из объектов измерения, расположенных с заданным шагом. Расположение решетки так, чтобы ее ось совпадала с нормалью к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны позволяет повысить точность измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов. 6 ил.

Устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, содержащее передающий блок, приемный блок, соединенный с регистратором, опорно-поворотный блок, на котором закреплена линейная эквидистантная решетка (ЛЭР) из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов, при этом нормаль к решетке, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости, отличающееся тем, что измеряемые радиолокационные объекты размещают в ЛЭР длиной L≤сτ/3, с шагом d=nλ/2, где с - скорость электромагнитной волны в свободном пространстве; τ - длительность импульса радиоизлучения; λ - длина волны радиоизлучения; n=1, 2, 3,…, - целое положительное число, при этом ЛЭР располагают так, чтобы ее ось совпадала с нормалью к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны.