УСТРОЙСТВО УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2024 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для увеличения эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов.

Известен способ увеличения (изменения, искажения образа) ЭПР радиолокационного объекта, состоящий в разделении выпуклого радиолокационного объекта (ВРЛО) ортогонально наиболее вероятному направлению радиоизлучения с образованием не менее двух плоских параллельных поверхностей, отстоящих друг от друга на расстоянии многим больше длины волны радиоизлучения, извлечении заключенных между параллельными плоскостями частей ВРЛО, металлизации образовавшихся плоских поверхностей оставшихся частей и установки между ними крепления из радиопрозрачного материала, жестко удерживающего оставшиеся части ВРЛО.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство, реализующее указанный способ увеличения ЭПР радиолокационного объекта (RU, патент на изобретение №2640321, МКИ H01Q 15/16, 2017 г. - прототип). Конструкция данного устройства приведена на фиг. 1. Устройство состоит минимум из двух частей ВРЛО 1, с параллельными металлизированными поверхностями 2, отстоящими друг от друга на расстоянии многим больше длины волны радиоизлучения ортогонально наиболее вероятному направлению радиоизлучения 3, жестко удерживаемых радиопрозрачным креплением 4.

Достоинством такого устройства является возможность увеличить ЭПР объектов и одновременно получить их ложные радиолокационные портреты.

Однако известное устройство обладает рядом недостатков:

не обеспечивает увеличение значений ЭПР ВРЛО в широком секторе углов облучения;

«неправдоподобно» искажает радиолокационные изображения ВРЛО, делая их чрезмерно протяжёнными за счёт большого числа периодически повторяющихся, убывающих по энергии локальных центров рассеяния.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной площади рассеяния объектов и получение их ложных радиолокационных изображений.

Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является увеличение мощности отражаемых объектами сигналов с искажением их радиолокационных изображений в геометрических размерах, незначительно превышающих контур объектов.

Указанная задача и получение заявленного технического результата достигается за счёт того, что в известном устройстве, реализующем способ увеличения ЭПР радиолокационных объектов, включающем ВРЛО, разделённый двумя отстоящими друг от друга на расстоянии в 10 раз большим длины волны радиоизлучения параллельными плоскостями, ортогональными направлению радиоизлучения и образующие плоские металлизированные поверхности частей ВРЛО, жёстко удерживаемые радиопрозрачным креплением в виде линзы сферической формы из диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которой лежит в пределах е ~ 2.. .4 (Кобак В. О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975. С. 186).

Поясним, чем достигается заявленный технический результат, используя теорию и практику применения антенн. Известна двухзеркальная антенна с заполнением пространства между рупором и вспомогательным зеркалом радиопрозрачным диэлектриком (Айзенберг Г.З., Терёшин О.Н., и др., Антенны УКВ. Т.2 М.: «Связь». 1977. С. 30, 31). В основе такого устройства лежит стремление уменьшить утечку энергии рупора через плоскость раскрыва антенны за счёт полного внутреннего отражения электромагнитной волны (ЭМВ) на границе раздела диэлектрик-воздух.

В случае с заявляемым устройством - объёмным резонатором (ОР) открытого типа, в котором объём, ограниченный проводящими стенками, заполнен диэлектриком (диэлектрической линзой). Полное внутреннее отражение прошедшей внутрь диэлектрика ЭМВ на границе раздела диэлектрик-воздух продляет возбуждение в течение более длительного

интервала времени. Т.е. в ОР накапливается энергия в пределах временных интервалов, значительно превышающих период колебания.

Другим примером фазовой задержки одной из компонент отраженной ЭМВ с помощью диэлектрических материалов может служить способ (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сое. радио». 1975. С. 185, 186), который состоит в том, что диэлектриком заполняется вся внутренняя полость трехгранного уголкового отражателя, причем две его грани изготавливаются из металла, а третья представляет собой поверхность раздела диэлектрик-воздух. Указывается, что диэлектрическая проницаемость диэлектрика, выбранная в пределах ε≈2…4, обеспечивает с одной стороны, малое отражение непосредственно от апертуры уголка (диэлектрика) и, с другой стороны, практически полное внутреннее отражение от границы раздела диэлектрик-воздух. При этом утверждается, что заполнение внутренней полости уголка диэлектриком с ε≈1,5…2 позволяет расширить моностатическую диаграмму обратного отражения на 15…20%.

Также известны линзовые отражатели, которые содержат в качестве основных элементов диэлектрические линзы различных типов. Чаще всего используются те или иные модификации диэлектрических линз Люнеберга, которые бывают цилиндрическими и сферическими. Отражатели на основе цилиндрических линз по своим рассеивающим свойствам подобны либо плоской пластине, либо двугранному уголковому отражателю. Сферические линзовые отражатели имеют много общего с трехгранными уголковыми отражателями.

В цилиндрических отражателях, как и сферических, можно использовать не только двухслойные, но и трехслойные, четырехслойные и т.д. линзы вплоть до многослойных линз Люнеберга. С помощью одного из таких сферических отражателей решается проблема создания всенаправленного или, во всяком случае, наиболее широконаправленного моностатического отражателя. Использование, например, сферического отражателя в качестве крепления из радиопрозрачного материала, расположенного между двумя параллельными плоскими проводящими поверхностями позволяет, в первом приближении, иметь дело с конструкцией, аналогичной двум сегментным «шапочкам» (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975. С. 199) или отражающими частями экваториального пояса, вращающегося вокруг сферической линзы Люнеберга (SU, авторское свидетельство №135114, МКИ H01Q 15/02, 1961 г.). При этом необходимо учитывать, что затеняющие действия «шапочки» или отражающих частей экваториального пояса уменьшают площадь эквивалентной апертуры отражателя-крепления и, как итог, приводят к уменьшению его ЭПР.

Если крепление выполнено на основе сферической линзы Люнеберга, то её максимальная моностатическая ЭПР приближенно определяется соотношением

σ_m = (4 π³α⁴/λ²) (1-2δ/ πα)²,

где α- радиус линзы, λ - длина волны, δ - размер проводящей плоскости, затеняющей апертуру линзы.

Так как сферическая диэлектрическая линза является всенаправленным отражателем, аналогично металлической сфере, то её применение в качестве крепления из радиопрозрачного материала более предпочтительно, чем цилиндрической линзы, для которой индикатриса рассеяния заметно уже.

Необходимо отметить, что значения ЭПР различных ВРЛО определяют геометрическая форма, электромагнитные свойства и волновые размеры отражающих поверхностей, а также пространственное положение относительно направления на источник излучения.

На фиг. 2 приведён ВРЛО 1, разделённый двумя параллельными плоскостями, ортогональными направлению локации и отстоящими друг от друга на расстоянии в 10 раз большем длины волны радиоизлучения. Внутренняя часть ВРЛО, заключённая между образованными разделением металлизированными плоскими поверхностями 2, извлекается, а оставшиеся части ВРЛО жёстко удерживаются радиопрозрачным креплением 4 в виде линзы сферической формы из диэлектрика без потерь.

Распространение поля внутри линзы при условии α>>λ можно достаточно точно описать в приближении геометрической оптики. В неоднородной среде, где показатель преломления является функцией координат, луч изгибается в сторону увеличения показателя преломления. Таким образом, все лучи независимо от угла падения на поверхность линзы имеют одинаковые фазовые длины и сходятся в одной точке (фокусе), лежащей на поверхности линзы с противоположной её стороны. При этом траектория каждого луча внутри линзы представляет собой дугу. На фиг. 3 изображена геометрия лучей при небольших отклонениях закона изменения диэлектрической проницаемости, где положение фокуса линзы смещается вдоль направления падения волны либо внутрь линзы, либо за её пределы. Чтобы превратить линзу в отражатель, достаточно поместить в её фокусе металлическую пластину. В идеальном случае, когда металлизирована небольшая часть поверхности, имеем так называемый рефлектор Люнеберга («шапочку»). Лучи, падающие на пластину, и лучи, отражённые от неё, в силу симметрии, имеют одинаковые траектории и, следовательно, после выхода из линзы распространяются в обратном направлении, образуя плоский фазовый фронт. В данном случае характер отражений от ВРЛО с креплением в виде линзы сферической формы более сложный.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

При облучении ВРЛО плоским фронтом ЭМВ, отраженное в обратном направлении поле представляет собой суперпозицию полей от индуцированных на поверхности объекта токов, включая интерференцию полей от токов, затекающих на заднюю поверхность ближней из двух параллельных плоскостей, и от токов на передней поверхности дальней плоскости (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сое. радио». 1975. С. 87-101). Диэлектрическая проницаемость ε≈2…4 крепления в виде линзы сферической формы обеспечивает малое отражение непосредственно от поверхности линзы. Прошедшая внутрь диэлектрика и получившая на границе раздела диэлектрик-воздух полное внутреннее отражение ЭМВ продляет возбуждение в течение более длительного интервала времени, тем самым накапливая энергию в пределах временных интервалов, значительно превышающих период колебания в самом ОР. Часть энергии возвращается в менее плотную среду и участвует в переотражении между металлическими поверхностями ОР (фиг. 4). В результате, небольшая во времени фазовая задержка переотраженной ЭМВ, позволяет сконцентрировать многократные, спадающие по мощности обратные отражения в пределах геометрических размеров, незначительно превышающих контур объектов.

Радиолокационные системы и средства, использующие широкополосные когерентные приемники и эффективные методы обработки принимаемых сигналов позволяют формировать инверсно синтезируемые пространственные двумерные радиолокационные изображения (портреты) объектов с высоким разрешением, дающие возможность однозначно восстановить не только контур объекта, но и выявить его характерные элементы (RU, патент на изобретение №2640321, МКИ H01Q 15/16, 2017 г. - прототип).

Экспериментальная проверка способности заявляемого устройства увеличивать мощность отражаемых объектами сигналов в широком секторе углов облучения, а также искажать их радиолокационные портреты, выполнена в условиях 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.).

На фиг. 5 изображены схема эксперимента, а также макеты ВРЛО, использованные в эксперименте:

прототип (е) - металлизированный прямой круговой цилиндр длиной 11⋅λ и диаметром основания 10⋅λ, разделенный двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга ортогонально оси на расстоянии 10⋅λ, с металлизированными плоскими поверхностями оставшихся частей, жестко удерживаемых креплением в форме радиопрозрачного цилиндра (стержня) диаметром ≈ 0,8⋅λ;

заявляемое устройство (f) - аналогичный прототипу разделенный двумя параллельными плоскостями цилиндр, где в качестве крепления использована линза сферической формы диаметром 10⋅λ из диэлектрика без потерь и с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 2…4;

линза сферической формы диаметром 10⋅λ(g), конструкция которой приведена на фиг. 6.

На фиг. 7 и 8 представлены графики измеренных круговых диаграмм ЭПР ВРЛО: металлизированного прямого кругового цилиндра длиной 11⋅λи диаметром основания 10⋅λ, разделенного двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга ортогонально оси на расстоянии 10⋅λ, с металлизированными плоскими поверхностями оставшихся частей, жестко удерживаемых креплением в форме радиопрозрачного цилиндра диаметром ≈ 0,8⋅λ (е); того же цилиндра, где в качестве крепления использована линза сферической формы диаметром 10⋅λ из диэлектрика без потерь с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 2…4 (f); самой линзы сферической формы диаметром 10⋅λ (g). Диаграммы ЭПР получены на длине волны λ=3 см для горизонтальной (фиг. 7) и вертикальной (фиг. 8) поляризации электрического поля. Значения ЭПР на оси ординат отложены в дБ относительно 10^-5 м².

На фиг. 9 и 10 представлены инверсно синтезированные двумерные изображения ВРЛО: металлизированного прямого кругового цилиндра, разделенного двумя параллельными плоскостями (фиг. 9); того же цилиндра, где в качестве крепления использована линза сферической формы диаметром 10⋅λ (фиг. 10) - для следующих условий локации: угловые сектора синтезирования 0±45°; 0±180°; 1024 частотные дискреты с равным шагом по частоте в полосе 7…13 ГГц. Границы изображений по дальности и поперечной координате размечены значениями в метрах. Интенсивность (отраженная мощность) источников иллюстрируется спектром цветов, соотнесенных со значениями ЭПР в дБ относительно уровня 10^-5 м².

Анализ диаграмм ЭПР показывает увеличение в секторе углов локации 0±180° (0…360°) медианных значений ЭПР (σ_0,5) цилиндра (пунктирная линия), где в качестве крепления оставшихся его частей вместо тонкого радиопрозрачного цилиндра использована линза сферической формы из диэлектрика, соответственно:

на 8,1 дБ для горизонтальной поляризации;

на 5,6 дБ для вертикальной поляризации.

Сравнение инверсно синтезированных двумерных изображений ВРЛО с внутренним радиопрозрачным креплением и с креплением в виде линзы сферической формы из диэлектрика показывает, что вместо многократно повторяющихся с одинаковым периодом, убывающих по интенсивности отражающих локальных центров рассеяния объекта, чрезмерно удлиняющих линейный размер его образа (прототип), наблюдаем концентрацию энергии, отраженной ЭМВ в трех наиболее «ярких» локальных центрах рассеяния, которая указывает на увеличение контура ВРЛО до двух раз за счет фазовой задержки одной из компонент ЭМВ в диэлектрическом материале крепления.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличить эффективную площадь рассеяния объектов и одновременно исказить их радиолокационные изображения, увеличивая размеры контура объекта до двух раз.

Технический результат достигнут. Задача изобретения решена.

Использование: изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано для увеличения эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов. Технический результат: увеличение мощности отражаемых объектами сигналов с искажением их радиолокационных изображений в геометрических размерах, незначительно превышающих контур объектов. Сущность: устройство основано на измерении значений ЭПР выпуклого радиолокационного объекта (ВРЛО), разделенного двумя отстоящими друг от друга на расстоянии в 10 раз большем длины волны радиоизлучения параллельными плоскостями, ортогональными направлению радиоизлучения и образующими плоские металлизированные поверхности частей ВРЛО, жестко удерживаемые радиопрозрачным креплением из радиопрозрачного материала в виде линзы сферической формы из диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которой лежит в пределах ε≈2…4. Заявляемое устройство позволяет увеличить ЭПР объектов и одновременно исказить их радиолокационные изображения, увеличивая размеры контура объекта до двух раз. 10 ил.

Устройство увеличения эффективной площади рассеяния радиолокационного объекта, включающее выпуклый радиолокационный объект (ВРЛО), разделенный двумя отстоящими друг от друга на расстоянии в 10 раз большем длины волны радиоизлучения параллельными плоскостями, ортогональными направлению радиоизлучения и образующими плоские металлизированные поверхности частей ВРЛО, жестко удерживаемы радиопрозрачным креплением, отличающееся тем, что крепление из радиопрозрачного материала представляет собой линзу сферической формы из диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которой лежит в пределах ε≈2…4.