Установка-имитатор отраженных сигналов малых дальностей
Изобретение относится к радиолокации и используется для калибровки и контроля зависимости выходной информации РЛС малых дальностей от задержки отраженных сигналов. Техническим результатом является формирование с достаточной точностью значений истинной задержки отраженных сигналов относительно зондирующего сигнала в любой точке заданного диапазона дальностей (задержек) при имитации электрофизических свойств реального отражающего объекта. Установка-имитатор отраженных сигналов РЛС малых дальностей состоит из волновода, формирователя отраженных сигналов, измерительной штанги, отсчетного устройства и высокочастотного согласующего устройства. 1 ил.
Радары малых дальностей применяются в различных областях техники.
В частности, это посадочные радиовысотомеры самолетов, вертолетов, космических аппаратов, РЛС для контроля сближения космических объектов. Широко применяются в настоящее время такие радары в качестве уровнемеров загрузки резервуаров жидкими и сыпучими продуктами.
Точностные характеристики таких радаров очень высокие, например, радары фирмы Saab Tank Radar PEX обеспечивают точность измерения уровня загрузки резервуаров не хуже ±0,5 мм (Журнал «Законодательная и прикладная метрология», №2, 2001 г.).
Важнейшей характеристикой таких РЛС является зависимость выходной координаты прибора от измеряемой задержки отраженного сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала.
здесь У* - выходная координата прибора;
τИ - истинная задержка отраженного сигнала.
Чаще всего эта зависимость задается в виде линейного закона
У*=К·τИ,
где К - коэффициент преобразования.
Фактическая зависимость выходной координаты У* (оценка) от измеряемой задержки с учетом приборной погрешности может быть записана в виде:
где ΔК - приборная нестабильность коэффициента преобразования;
Δτп=f(τИ) - вносимая прибором эквивалентная дополнительная задержка сигнала, зависящая в общем случае от измеряемой величины τИ.
Параметры ΔК и Δτп могут иметь как постоянную составляющую, так и случайную, а их значения зависят от качества исполнения конкретных приборов. Например, существенное влияние на величину Δτп оказывают паразитные сигналы, обусловленные переотражениями высокочастотных сигналов в приемопередающем тракте прибора, которые суммируются с полезным отраженным сигналом и вызывают его временное смещение в ту или иную сторону.
Второй, важной характеристикой РЛС малых дальностей является их разрешающая способность. Например, для уровнемеров высокая разрешающая способность необходима при измерении малых уровней загрузки резервуаров, когда мощный отраженный от металлического дна резервуара сигнал существенно превышает полезный сигнал по мощности, а также при анализе слоистых структур в резервуарах с целью определения уровня раздела фаз нефть - вода и других. В радиовысотомерах этот параметр определяет их способность измерения минимального расстояния до подстилающей поверхности (высоты) при наличии отраженных сигналов от подповерхностных образований, например сигналов, отраженных от нижней поверхности бетонных плит взлетно-посадочной полосы.
Из (2) очевидно, что для определения значений параметров прибора ΔК и Δτп=f(τИ) необходимо иметь устройство, обеспечивающее формирование истинной задержки отраженного сигнала τИ с достаточно высокой точностью. Такое устройство необходимо как при разработке таких РЛС, так и при их изготовлении, испытаниях и эксплуатации.
Известно, что для этих целей обычно используются довольно сложные и дорогие устройства. Например, для контроля уровнемеров используются уровнемерные образцовые установки типов УУОН-1; УУ-О-Н-2,5; УУОН-6 и УУО-Н-12 («Уровнемеры промышленного применения и поплавковые. Методы и средства поверки». ГОСТ 8.321-78).
Соответствующие испытания радиовысотомеров обычно выполняются с применением самолетов и вертолетов, что понятно тоже не дешево, и, кроме того, в этом случае возникают существенные трудности с определением истинного значения высоты и имитацией ее с достаточной дискретностью.
Предлагаемое ниже устройство достаточно простое в реализации, позволяет значительно снизить соответствующие затраты как при разработке, так и при проведении испытаний РЛС малых дальностей.
Важно, что такие устройства, в силу простоты их реализации и малой стоимости, могут быть использованы на предприятиях, эксплуатирующих РЛС малых дальностей для обеспечения их входного контроля и поверки. Например, на предприятиях нефтегазовой добывающей и перерабатывающей промышленности предлагаемая установка может быть использована для контроля и поверки радиолокационных уровнемеров как отечественного, так и зарубежного производства.
На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства. Поставленная задача в нем решается с помощью волновода 1 необходимой длины с поперечными размерами внутренней полости, обеспечивающими требуемую широкополосность, и перемещаемым внутри его формирователем отраженного сигнала 2 (ФОС ). В общем случае ФОС представляет собой слоистую структуру (С1, С2...Cn) с поперечными размерами, достаточно близко совпадающими с размерами внутренней полости волновода, и требуемыми длинами слоев, имитирующих реальный заданный отражающий объект как по толщине слоев в t1; t2...tn, так и по электрофизическим свойствам, определяемым, для диэлектриков, относительной диэлектрической постоянной ∈r и тангенсом угла потерь tgδ, Дж.К.Саусворт «Принципы применения волноводной передачи». М., «Советское радио», 1973, с.96, 681. Например, если на переднем торце ФОС установить металлическую пластину, то будет имитироваться сигнал, отраженный от водной гладкой поверхности или от металлического дна резервуара, а ФОС, состоящий из оргстекла и металлической пластины на заднем его фланце, будет имитировать сигнал, формируемый соответствующим слоем нефтепродуктов (масло, керосин и т.д.) в металлическом резервуаре. Подбором необходимых материалов возможна имитация и более сложных слоистых структур, например пена - нефть - вода, имеющих место в резервуарах-отстойниках на нефтепромыслах.
Требуемое перемещение ФОС внутри волновода обеспечивается с помощью мерительной штанги 3, жестко связанной с ним и имеющей должную разметку, что обеспечивает определение размещения ФОС по длине волновода с помощью отсчетного устройства 4, размещенного на конце волновода.
На переднем конце волновода установлено согласующее устройство 5 (например, согласующий конус), обеспечивающее согласование приемопередающего тракта РЛС 6 с волноводом.
Волновод 1 может быть выполнен из металлических труб с достаточно стабильными по длине внутренними размерами, например, из прессованных из алюминиевых сплавов труб, выпускаемых по ГОСТ 18482-79. Могут использоваться и стальные трубы. Так, для калибровки уровнемеров РЛУ-1 на предприятии ОАО УПКБ «Деталь» используется установка, в которой в качестве волновода применена стальная труба с внутренним диаметром 102 мм и длиной 11 метров. В случае необходимости использования более длинных волноводов их возможно собирать из секций, но при этом важно обеспечить стыковку секций так, чтобы не создавались неоднородности в виде разрывов трубу или уступов внутри волновода, так как при этом возможны паразитные отражения сигналов, ухудшающие точностные характеристики установки.
О возможных вариантах выполнения формирователя отраженного сигнала 2 уже говорилось выше. Добавим только, что поперечные размеры ФОС должны как можно ближе совпадать с поперечными размерами внутренней полости волновода, но при этом должна обеспечиваться возможность свободного перемещения его по всей длине волновода.
Измерительная штанга 3 может быть выполнена в виде стержня, в том числе состоящего из секций, из достаточно прочного материала, с нанесенной вдоль разметкой, определяющей геометрическое положение отражающей плоскости ФОС относительно заданной точки начала отсчета, например относительно переднего конца волновода.
Погрешность установки требуемой дальности ФОС относительно начала отсчета определяется только точностью исполнения геометрических размеров ФОС и разметки измерительной штанги и поэтому может быть обеспечена достаточно малой. Так, на упомянутой установке ОАО УПКБ «Деталь» данная погрешность не превышает 1 мм.
Согласующее устройство 5 в случае, если высокочастотный выход-вход приемопередающего тракта РЛС выполнен в виде волновода, выполняется в виде обычного согласующего конуса. Если же в.ч. выход-вход РЛС - коаксиальный, то согласующее устройство должно выполняться в виде коаксиально-волноводного перехода и согласующего конуса.
Установка-имитатор отраженных сигналов РЛС малых дальностей, состоящая из волновода; формирователя отраженных сигналов, состоящего из одного или нескольких слоев материалов с толщинами и электрофизическими свойствами, имитирующими реально отражающие объекты, формой и размерами, в поперечной волноводу плоскости повторяющие соответствующие параметры волновода, и имеющего необходимые зазоры по отношению к внутренним стенкам волновода, позволяющие достаточно свободно перемещать его вдоль волновода; измерительной штанги, жестко связанной с формирователем отраженных сигналов и имеющей соответствующую разметку по длине, позволяющую однозначно определить геометрическое положение передней плоскости формирователя отраженных сигналов вдоль волновода; отсчетного устройства, позволяющего снятие соответствующих показаний с измерительной штанги, и высокочастотного согласующего устройства, установленного между выходом-входом РЛС и входом-выходом волновода.
