УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЦЕЛИ Советский патент 2014 года по МПК G01S7/40 

Изобретение относится к средствам создания искусственных пассивных помех, а именно к оптическим уголковым отражателям тетраэдрического типа и предназначено для создания ложных целей лазерным локационным системам наведения с поляризационной селекцией целей по коэффициенту деполяризации.

В настоящее время стоит задача противодействия лазерным локационным системам наведения созданием помех, в том числе и искусственных пассивных помех. Для этого могут использоваться оптические уголковые отражатели, которые обладают способностью возвращать в обратном направлении падающее на их основание излучение, имитируя, таким образом, эхо-сигнал, отраженный целью.

Известны оптические уголковые отражатели как с гранями без покрытий, работающих на полном внутреннем отражении, так и с металлизированными гранями. В качестве прототипа принят оптический уголковый отражатель, выполненный в виде стеклянной трипельпризмы, с отражающими гранями без покрытия, работающих на полном внутреннем отражении (см. книгу Ю.Г. Кожевникова "Оптические призмы", М., "Машиностроение", 1984 г., стр.28).

При использовании противником в лазерных локационных системах наведения поляризационной селекции целей по коэффициенту деполяризации, что весьма вероятно, известные оптические уголковые отражатели не могут создавать помехи указанным системам, так как неточно имитируют цель по коэффициенту деполяризации эхо-сигнала при полностью поляризованном зондирующем излучении (см. обзор Б.С. Губанова и др. "Экспериментальное исследование сигналов в лазерных локационных системах наведения ракетного оружия на морские надводные цели" ч.II, ЦНИИ "Румб", 1984 г., стр.19, 21, 35, 36, 49, 64, 65, 86).

Целью изобретения является повышение точности имитации цели.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для имитации цели, содержащем трипельпризму с отражающими гранями, работающими на основе принципа полного внутреннего отражения, отражающие грани металлизированы частично от вершины призмы, причем фигуры металлизированных частей отражающих граней равны между собой и подобны фигурам отражающих граней с коэффициентом подобия k, определяемым из соотношений:

$$\{\begin{array}{l}0<k\le \mathrm{0,6}\\ 6\alpha k^4-4(1+\alpha )k^2+(1+\alpha )=0\end{array}$$

при 0≤α≤1,3;

$$\{\begin{array}{l}\mathrm{0,6}\le k\le \frac{2}{3}\\ (2549\alpha -625)k^4+(1500-6780\alpha )k^3+(6618\alpha -1266)k^2+\\ +(420-2820\alpha )k+(445\alpha -41)=0\end{array}$$

при 1,3≤α≤2,8;

$$\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}\le k\le 1\\ (101\alpha -49)k^4+(84-276\alpha )k^3+(238\alpha -38)k^2-\\ -(84\alpha +12)k+(13\alpha +7)=0\end{array}$$

при α≥2,8;

где α - среднее значение по γ коэффициента деполяризации f, который определяют из выражения

$$f=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{pi}{E}_{pi}^{*}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{si}{E}_{si}^{*}}}$$

где $$E_{si}=[a_i{\cos }^2\gamma +(b_i+c_i)\sin \gamma \cos \gamma +d_i{\sin }^2\gamma ]$$

$$E_{pi}=[c_i{\cos }^2\gamma +(d_i-a_i)\sin \gamma \cos \gamma -b_i{\sin }^2\gamma ]$$

- компоненты вектора Джонса i-го пучка света, отраженного призмой;

$$E_{si}^{*}$$ , $$E_{pi}^{*}$$ - комплексно-сопряженные компоненты;

γ - угол наклона плоскости поляризации падающего на призму пучка;

a_i, b_i, c_i, d_i - элементы поляризационной матрицы Джонса при отражении i-го пучка света от трех граней трипельпризмы, в случае, когда на первой и третьей гранях пучок отражается за счет полного внутреннего отражения, а на второй грани - от металлического покрытия.

Кроме того, с целью повышения точности имитации цели, отражающие грани трипельпризмы металлизированы частично от основания призмы, причем фигуры неметаллизированных частей отражающих граней равны между собой и подобны фигурам отражающих граней с коэффициентом подобия k′, определяемым из соотношений:

$$\{\begin{array}{l}0<k\text{'}\le \mathrm{0,6}\\ (9-3\alpha \text{'})k{\text{'}}^4-8(1+\alpha \text{'})k{\text{'}}^2+2(1+\alpha \text{'})=0\end{array}$$

при α′≥0,583;

$$\{\begin{array}{l}\mathrm{0,6}\le k\text{'}\le \frac{2}{3}\\ (619\alpha \text{'}-968)k{\text{'}}^4+(2640-1500\alpha \text{'})k{\text{'}}^3+(1266\alpha \text{'}-2676)k{\text{'}}^2+\\ +(1200-420\alpha \text{'})k\text{'}+(41\alpha \text{'}-202)=0\end{array}$$

при 0,215≤α′≤0,583;

$$\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}\le k\text{'}\le 1\\ (43\alpha \text{'}-32)k{\text{'}}^4+(96-84\alpha \text{'})k{\text{'}}^3+(38\alpha \text{'}-100)k{\text{'}}^2+\\ +(12\alpha \text{'}+48)k\text{'}-(7\alpha \text{'}+10)=0\end{array}$$

при 0≤α′≤0,215;

где α′ - среднее значение по γ коэффициента деполяризации f′, который определяют из выражения:

$$f\text{'}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{pi}^{\text{'}}{E}_{pi}^{\text{'}*}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{si}^{\text{'}}{E}_{si}^{\text{'}*}}}$$

где $$E{\text{'}}_{si}=[a{\text{'}}_i{\cos }^2\gamma +(b{\text{'}}_i+c{\text{'}}_i)\sin \gamma \cos \gamma +d{\text{'}}_i{\sin }^2\gamma ]$$

$$E{\text{'}}_{pi}=[c{\text{'}}_i{\cos }^2\gamma +(d{\text{'}}_i-a{\text{'}}_i)\sin \gamma \cos \gamma -b{\text{'}}_i{\sin }^2\gamma ]$$

- компоненты вектора Джонса i-го пучка света, отраженного призмой,

$$E{\text{'}}_{si}^{*}$$ , $$E{\text{'}}_{pi}^{*}$$ - комплексно-сопряженные компоненты;

γ - угол наклона плоскости поляризации падающего на призму пучка;

a'_i, b'_i, c'_i, d'_i - элементы поляризационной матрицы Джонса при отражении i-го пучка света от трех граней трипельпризмы, в случае когда на первой и третьей гранях пучок отражается от металлического покрытия, а на второй грани - за счет полного внутреннего отражения.

Также каждое из указанных устройств снабжено блендой, выполненной в форме правильной шестиугольной усеченной пирамиды с углом φ между гранью и осью симметрии и меньшим основанием, равным основанию трипельпризмы, которая установлена таким образом, что ось симметрии бленды и меньшее основание совпадают с осью симметрии и основанием трипельпризмы, а длину h бленды определяют из выражения

$$h=\frac{b\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \left(1-\sqrt{2}\frac{\sin i}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}\right)}{tgi-tg\varphi }$$

где b - сторона основания трипельпризмы;

n - показатель преломления материала призма;

i - выбираемый предельный рабочий угол устройства и притом i>φ;

φ - угол не больше 20°.

На основании анализа сущности изобретения, данных патентного исследования и имеющейся на предприятии-заявителе информации установлено, что такое выполнение устройства, которое бы обеспечивало получение указанного эффекта, авторам не известно, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 приведен вид со стороны основания первого варианта устройства;

- на фиг.2 - разрез А-А фиг.1;

- на фиг.3 приведен вид со стороны вершины второго варианта устройства;

- на фиг.4 - вид Б фиг.3;

- на фиг.5 приведен рисунок для расчета отражающих зон;

- на фиг.6 приведены три зоны (площади) отражающие зондирующее излучение;

- на фиг.7 - пример конкретного выполнения отражателя с блендой;

- на фиг.8 изображен ход лучей в устройстве.

Предлагаемое устройство (см. фиг.1, 2, 3, 4, 7) содержит трипельпризменный уголковый отражатель, грани которого имеют зоны с металлическим покрытием 1 и без покрытия 2, а также бленду 7.

В первом варианте устройства (см. фиг.1, 2) отражающие грани трипельпризмы металлизированы частично от вершины призмы таким образом, что фигуры металлизированных частей отражающих граней равны между собой и подобны фигурам отражающих граней с коэффициентом подобия k, например (см. фиг.5), k=NB/ST;

где NB, ST - длины отрезков на фиг.5.

При нормальном падении лучей на основание такой призмы, рабочую апертуру отражателя разбивают на три зоны (см. фиг.6). При попадании лучей в зону 3 они испытывают трехкратное зеркальное отражение от металлизированных участков отражающих граней. При попадании лучей в зону 4 лучи испытывают первое и третье полное внутреннее отражение, а второе - зеркальное. Лучи, падающие в зону 5, испытывают трехкратное полное внутреннее отражение. Зона 4 определяется геометрическим построением с учетом того, что для нормально падающего луча на основание призмы точка выхода симметрична точке входа относительно оси симметрии призмы, а проекция этого переотраженного первой гранью луча на основание призмы параллельна проекции нормали первой грани на основание призмы. Проекция же этого переотраженного второй гранью луча на основание параллельна проекции нормали третьей грани на основание.

Излучение, отраженное зоной 3, аналогично излучению, отраженному трипельпризменным уголковым отражателем с металлизированным покрытием, а отраженное зоной 5 аналогично отраженному уголковым отражателем без покрытия, работающим на полном внутреннем отражении. Поэтому коэффициент α₁ деполяризации излучения, отраженного зоной 3, можно приближенно полагать равным 0, а α₃ - излучения, отраженного зоной 5, - 1 (см. обзор Б.С. Губанова и др. "Экспериментальное исследование сигналов в лазерных локационных системах наведения ракетного оружия на морские надводные цели" ч.II, ЦНИИ "Румб", 1984 г., стр.68-72). Излучение, отраженное зоной 4, имеет среднее значение α коэффициента деполяризации f, определяемого по формуле

$$f=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{pi}{E}_{pi}^{*}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{si}{E}_{si}^{*}}}$$

Пучок зондирующих лучей предполагается с плоским фронтом и равномерным распределением интенсивности. Тогда осевая интенсивность отраженного излучения для каждой из трех зон равна

$$J_1=\frac{P{S}_1}{{\lambda }^2}$$ P=c₁S₁ $$J_1=c{S}_1^2$$ $$J_2=c{S}_2^2$$ $$J_3=c{S}_3^2$$

где λ - длина волны;

c, c₁ - постоянные множители;

J₁, J₂, J₃ - осевые интенсивности для 3, 4, 5 зон соответственно;

S₁, S₂, S₃ - отражающие площади 3, 4, 5 зон соответственно;

(см. книгу Ю.А. Ананьева "Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения", М., "Наука", 1979 г., стр.24).

Пучки лучей, отраженные тремя зонами, перекрываются в дальней области, образуя суммарный пучок с коэффициентом деполяризации ξ, который связан с отражающими площадями зон и коэффициентом деполяризации α соотношением

$$\xi =\frac{S_3+\alpha (S_3^2+2S_2^2)}{S_3^2+2S_2^2+2S_1^2+\alpha (S_3^2+2S_1^2)}\text{ (1)}$$

Учитывая, что соотношение S₁, S₂, S₃ зависит только от параметра k, и выбирая ξ=0,5, соответствующее диапазону реальных целей, получим систему соотношений для определения параметра k в зависимости от значения α:

если 0≤α≤1,3,

то k определяется из системы соотношений

$$\{\begin{array}{l}0<k\le \mathrm{0,6}\\ 6\alpha k^4-4(1+\alpha )k^2+(1+\alpha )=0\end{array}$$ ;

при 1,3≤α≤2,8

$$\{\begin{array}{l}\mathrm{0,6}\le k\le \frac{2}{3}\\ (2549\alpha -625)k^4+(1500-6780\alpha )k^3+\\ +(6618\alpha -1266)k^2+(420-2820\alpha )k+(445\alpha -41)=0;\end{array}$$

при 2,8≤α

$$\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}\le k\le 1\\ (101\alpha -49)k^4+(84-276\alpha )k^3+(238\alpha -38)k^2-\\ -(84\alpha +12)k+(13\alpha +7)=0\end{array}$$

Во втором варианте устройства (см. фиг.3, 4) отражающие грани трипельпризмы металлизируют частично от основания призмы таким образом, что фигуры неметаллизированных частей отражающих граней равны между собой и подобны фигурам отражающих граней с коэффициентом подобия k′.

Расчеты второго варианта аналогичны тем, что применялись и для первого. Отличие - в том, что коэффициент α′₁ деполяризации пучка, отраженного зоной 3, (см. фиг.6) равен 1, а α′₃ пучка, отраженного зоной 5, равен 0. Изменится и коэффициент α′ деполяризации пучка, отраженного зоной 4, вычисление значения которого приведено в приложении к описанию изобретения. Соотношение, связывающее коэффициент деполяризации ξ суммарного пучка с коэффициентом α′ и площадями зон S₁, S₂, S₃, принимает вид

$$\xi =\frac{S_1^2+\alpha \text{'}(2S_2^2+S_1^2)}{S_1^2+2S_2^2+2S_3^2+\alpha \text{'}(S_1^2+2S_3^2)}\text{ (2)}$$

Параметр k′ определяется из системы соотношений:

при α′≥0,583

$$\{\begin{array}{l}0<k\text{'}\le \mathrm{0,6}\\ (9+3\alpha \text{'})k{\text{'}}^4-8(1+\alpha \text{'})k{\text{'}}^2+2(1+\alpha \text{'})=0;\end{array}$$

при 0,215≤α′≤0,583

$$\{\begin{array}{l}\mathrm{0,6}\le k\text{'}\le \frac{2}{3}\\ (619\alpha \text{'}-968)k{\text{'}}^4+(2640-1500\alpha \text{'})k{\text{'}}^3+(1266\alpha \text{'}-2676)\cdot k{\text{'}}^2+\\ +(1200-420\alpha \text{'})k\text{'}+(41\alpha \text{'}-202)=0;\end{array}$$

при 0≤α′≤0,215

$$\{\begin{array}{l}\frac{2}{3}\le k\text{'}\le 1\\ (43\alpha -32)k{\text{'}}^4+(96-84\alpha \text{'})k{\text{'}}^3+(38\alpha \text{'}-100)k{\text{'}}^2+\\ +(12\alpha \text{'}+48)k\text{'}-(7\alpha \text{'}+10)=0.\end{array}$$

Указанные выше расчеты приведены для нормально падающего пучка лучей на основание предлагаемых устройств. Рассмотрим выражения (1) и (2) при наклонном падении лучей на основание устройств с углом падения φ не большим 20° (см. фиг.8). Соотношение площадей S₁, S₂, S₃ в выражениях (1) и (2) почти не изменится, а коэффициент α изменится. Рассматривая (1) и (2) как ξ=F(α), получаем, что в диапазоне возможных значений α большие изменения α приводят к незначительным изменениям ξ. Таким образом, при небольших углах падения φ≤20° коэффициент деполяризации ξ не выйдет из допустимого диапазона 0,4÷0,6.

Одни части предлагаемых устройств работают как уголковые отражатели без покрытий, а другие части - как уголковые отражатели с металлизированным покрытием и предельные рабочие углы у них разные, так, например, для уголкового отражателя без покрытия наименьший предельный рабочий угол около 20° (см. книгу Б.Ю. Ханох "Оптические отражатели тетраэдрического типа в активных системах", Минск; БГУ, 1982 г. стр.95, 96). В результате возможен случай, когда при наклонном падении лучей на устройство, отражение происходит только на гранях с покрытием, поэтому в некоторых угловых полях не будет имитации цели по коэффициенту деполяризации. Для уменьшения величины этих угловых полей в устройство введена бленда 7 (см. фиг.7, 8). Она выполнена в форме правильной шестиугольной усеченной пирамиды с углом φ между гранью и осью симметрии и меньшим основанием, равным основанию трипельпризмы. Устанавливается бленда таким образом, что ось симметрии бленды и меньшее основание совпадают с осью симметрии и основанием трипельпризмы. Длина бленды определяется из выражения:

$$h=\frac{b\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\cdot \left(1-\sqrt{2}\cdot \frac{\sin i}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}\right)}{tgi-tg\varphi }$$

при этом угол φ берут не больше 20°, в связи с тем что наименьший предельный рабочий угол отражателя без покрытия приближенно равен 20°, а угол i берут больше φ.

Таким образом, предлагаемые варианты устройств с блендой имитируют цель по коэффициенту деполяризации в рабочем угле φ, который может достигать 20°. При углах падения, больших i, устройства не работают. В малом угле от φ до i возможна неточная имитация, но этот угол можно выбрать достаточно малым и интенсивность отраженного излучения в этом угле будет значительно меньше, чем при углах падения, близких к нулевому.

Предлагаемые устройства для работы в ближней инфракрасной области спектра изготавливают, например, трипельпризму 6 - из стекла К108, металлизированное покрытие может быть из серебра, нанесенного вакуумным напылением, бленду 7 приклеивают к призме 6 по нерабочим граням 8 (см. фиг.7).

Работают предлагаемые устройства следующим образом. Зондирующее полностью поляризованное излучение отражается устройством в обратном направлении. При этом каждой зоной, на которые разбита рабочая апертура устройства, отражаются пучки лучей с разными коэффициентами деполяризации. Эти пучки перекрываются на большом расстоянии от отражателя и образуют суммарный пучок, который имеет коэффициент деполяризации, соответствующий диапазону коэффициентов для реальных целей.

Для увеличения эффективной отражающей поверхности используют несколько устройств, которые располагают в виде панели.

Для перекрытия большого угла атаки также берут несколько устройств, которые располагают в одном блоке и различным образом ориентируют (см. обзор Б.С. Губанова и др. "Экспериментальное исследование…" ч.II, ЦНИИ "Румб", 1984 г., стр.21).

Предложенные варианты устройств для имитации цели имеют следующие достоинства:

а) возможность имитировать цель по коэффициенту деполяризации при полностью поляризованном зондирующем излучении;

б) могут быть использованы для создания помех лазерным локационным системам наведения с поляризационной селекцией целей;

в) выполняются из трипельпризм, которые выпускаются промышленностью, а нанесение покрытия и изготовление бленды не представляют технических трудностей.

Изобретение относится к средствам создания искусственных пассивных помех. Достигаемый технический результат - повышение точности имитации цели. Указанный результат достигается за счет того, что устройство содержит уголковый отражатель с частично металлизированными гранями, при этом покрытие нанесено на поверхность грани, ограниченную ребром основания уголкового отражателя и линией, параллельной ребру основания, причем фигуры неметаллизированных частей отражающих граней равны между собой, кроме того, устройство снабжено блендой, выполненной в форме правильной шестиугольной усеченной пирамиды. 8 ил.

1. Устройство для имитации цели, содержащее уголковый отражатель полного внутренней отражения с частично металлизированными гранями, отличающееся тем, что, с целью повышения точности имитации цели, покрытие нанесено на поверхность грани, ограниченную ребром основания уголкового отражателя и линией, параллельной ребру основания, причем фигуры неметаллизированных частей отражающих граней равны между собой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено блендой, выполненной в форме правильной шестиугольной усеченной пирамиды с углом φ≤20° между гранью и осью симметрии, имеющей основание, равное основанию уголкового отражателя, при этом ось симметрии и меньшее основание бленды совпадают с осью симметрии и основанием уголкового отражателя, а длина бленды h определяется из выражения:
$$h=\frac{b\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\left(1-\sqrt{2}\frac{\sin i}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}\right)}{tgi-tg\varphi }$$ , где
b - сторона основания уголкового отражателя,
n - показатель преломления материала уголкового отражателя,
i - предельный рабочий угол устройства, причем i>φ.