Устройство калибровки наземных радиолокационных измерительных комплексов под малыми углами места

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для обеспечения динамических измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей на трассе "земля-воздух" в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки и расширение области применения устройства калибровки наземных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места в условиях многолучевого распространения радиолокационных сигналов (PC). Предлагаемое устройство калибровки содержит аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемопередающая антенна, и приемное устройство, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержит металлический трехгранный уголковый эталонный отражатель (ЭО), установленный в дальней зоне локации РИК, и отличается тем, что в него введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемопередающей антенны РИК металлический клиновидный экран, высоту, длину и просвет относительно линии "антенна РИК-ЭО" которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения подстилающей поверхностью (ПП) полигона зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов, и размещенное на малоотражающей вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией "антенна РИК-ЭО" и тупым углом α в этой плоскости, определяемым по соответствующему выражению. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для обеспечения динамических измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей на трассе "земля-воздух" в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Известны различные устройства калибровки наземных многочастотных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места ε (0°≤|ε|≤3°), содержащие металлические эталонные отражатели (ЭО), устанавливаемые последовательно на малоотражающей вышке в дальней зоне излучения РИК [1. Дибдал Р.Б. Методы измерения эффективной площади отражения радиолокационных целей, ТИИЭР, т.75, №4, 1987, стр.78-99]. Общий недостаток этих устройств состоит в низкой точности калибровки РИК под малыми углами места ε. Низкая точность калибровки в этом случае обусловлена существенным влиянием зеркального отражения и дифракции на препятствиях трассы "антенна РИК-ЭО" зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов (PC), приводящим к смещению оценок мощности PC на входе РИК (по сравнению с калибровкой РИК в условиях свободного пространства) до 6...10 дБ и более [2. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986, стр.171-175].

Известно более точное устройство калибровки наземных РИК, использующее в качестве ЭО радиолокационный ответчик (РЛО) с известным значением эквивалентной ЭПР [3. Активный отражатель для калибровки РЛС. Экспресс - информация. Радиотехника сверхвысоких частот, №2, 1985, стр.11-18]. Приемлемая точность калибровки с помощью этого устройства достигается за счет использования установленных на специальной мачте высоконаправленных приемной и передающей антенн РЛО, обеспечивающих относительно низкий уровень облучения подстилающей поверхности (ПП) полигона. Вместе с тем, это устройство не находит широкого применения на практике вследствие высокой стоимости разработки и эксплуатации РЛО, больших размеров и сложности конструкции его антенной системы, необходимости ее размещения и ориентации на высокой мачте, а также низкой точности теоретической оценки эквивалентной ЭПР ответчика и сложностей обеспечения ее воспроизводимости в условиях полигона открытого типа.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство калибровки одночастотной радиолокационной станции (РЛС) над морем, содержащее аттенюатор, подключенный к калибруемой РЛС, состоящей из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемо-передающая антенна, и приемного устройства, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащее металлический трехгранный уголковый (ЭО), установленный на малоотражающей вышке в дальней зоне локации РЛС [4. Леонтьев В.В. Методика калибровки РЛС при измерении эффективной площади рассеяния цели над морем. Измерительная техника, №11, 2002, стр.37-40].

Недостатком прототипа является ограниченная область его применения: только на полигонах с плоской, зеркально отражающей ПП; для калибровки РЛС сантиметрового диапазона. Кроме того, для обеспечения потенциальной точности и воспроизводимости результатов калибровки измерительной РЛС, согласно прототипу, необходимы стабилизация положения ЭО на вышке, а также периодическое равномерное изменение высоты его установки, в том числе в условиях взволнованной морской поверхности.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности калибровки и расширение области применения устройства калибровки РИК под малыми углами места ε в условиях многолучевого распространения PC.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в состав известного устройства калибровки наземного РИК, содержащего аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемо-передающая антенна, и приемного устройства, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащего металлический трехгранный уголковый ЭО, установленный в дальней зоне локации РИК, введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемо-передающей антенны РИК металлический клиновидный экран (КЭ), высоту, длину и просвет относительно линии "антенна РИК-ЭО" которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения ПП полигона зондирующих и рассеянных ЭО PC, и размещенное на вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией "антенна РИК-ЭО" и тупым углом α в этой плоскости, определяемым выражениями

где π≅3,14...; Δθ_0,5 - ширина основного лепестка бистатической диаграммы рассеяния ЭО по уровню 0,5 в вертикальной плоскости; а - размер ребра трехгранного ЭО с треугольными гранями (а/λ≥8); λ - длина волны зондирующего излучения РИК [5. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. - М.: Советское радио, 1970, стр.180-181].

При этом действительное значение мощности PC, рассеянных ЭО в направлении биссектрисы его трехгранного угла в условиях свободного пространства Р^СП(θ₀, ϕ₀), на входе РИК определяют с учетом ориентации ЭО относительно антенны РИК и оценки влияния на результаты калибровки РИК дифракции зондирующих и рассеянных ЭО сигналов по формуле

где θ₀, ϕ₀ - угловые координаты биссектрисы трехгранного угла ЭО в связанной с ним системе координат (θ₀=ϕ₀=0°); Р(θ, ϕ; π/2) - оценка мощности PC, рассеянных ЭО в направлении антенны РИК при установке ЭО под прямым углом в вертикальной плоскости; θ, ϕ - угловые координаты линии визирования "ЭО - антенна РИК" в вертикальной (θ) и горизонтальной (ϕ) плоскостях; [1-2tg²θ]² _θ, [1-2tg²ϕ]² _ϕ - функции, учитывающие пространственный разнос приемо-передающих антенн многочастотного РИК и направленность диаграмм рассеяния (ДР) ЭО соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях (с погрешностью не более 10% при условии, если |θ| и |ϕ| меньше 25° [5], стр.166-172); W - множитель ослабления свободного пространства, учитывающий влияние на калибровку РИК дифракции PC на КЭ [6. Винниченко А.И. Теория тракта распространения радиоволн линий радиосвязи. - Л.: ВМА, 1984, стр.305-311] и оцениваемый экспериментально по формуле

где Р(θ, ϕ; Δθ_0,5) - оценка мощности PC, рассеянных ЭО в направлении антенны РИК при установке ЭО под тупым углом.

Сравнительный анализ заявленного изобретения с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается от известного наличием новых признаков, в том числе:

новых элементов - размещенный в центре первой зоны Френеля приемо-передающей антенны РИК металлический КЭ (выполненный из металлического листа или сетки) и устройство поворота ЭО, установленное на малоотражающей вышке;

новых принципов - учет и практическое исключение влияния на калибровку РИК зеркального отражения ПП полигона и дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC.

При изучении аналогичных технических решений в области радиолокационных измерений ЭПР целей указанная выше совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, выявлена не была.

Подготовка к калибровке РИК с помощью заявляемого устройства включает (см. фиг.2):

определение (на основе простых геометрических построений) положения и размеров первой зоны Френеля на ПП полигона с учетом высоты антенны РИК h_A, высоты ЭО на вышке h_Эо и выбранного расстояния R до ЭО [7. Шмелев А.Б. Влияние подстилающей поверхности на работу наземных антенных систем. Радиотехника, №10, 1998, стр.105-110];

выбор расстояния R₁ от РИК до КЭ равным расстоянию до центра первой зоны Френеля, а ширины экрана - равной малой оси этой зоны и его высоты - достаточной для исключения попадания отражений от этой зоны на ЭО (на основе простых геометрических построений);

выбор просвета КЭ (Н) относительно линии "антенна РИК-ЭО" из условия ограничения абсолютного значения множителя W величиной не более 1 дБ на основе анализа его теоретической зависимости от параметра (необходимое ограничение множителя W достигается при условии [6] или

выбор трехгранного ЭО с длиной ребра а, удовлетворяющей условию а≥8λ, при выполнении которого номинальное значение ЭПР ЭО определяют по известной формуле с погрешностью не более 10% [5];

расчет ширины основного лепестка бистатической ДР ЭО и определение на этой основе тупого угла установки ЭО в вертикальной плоскости по формулам (1).

Непосредственно перед калибровкой РИК на расстояниях R₁ и R размещают соответственно КЭ, вышку с ЭО и устройством его поворота, последовательно горизонтируют ЭО и ориентируют его на РИК, устанавливают ЭО под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования "ЭО - антенна РИК". В процессе калибровки РИК зондируют ЭО и регистрируют амплитуду рассеянных им PC. Затем устанавливают ЭО под тупым углом α в вертикальной плоскости, зондируют его и регистрируют амплитуду рассеянных ЭО PC.

Использование новых элементов устройства и реализация новых принципов калибровки РИК, заключающихся в том, что ЭО размещают за КЭ, установленным в центре первой зоны Френеля, а ЭО ориентируют на РИК под тупым углом α в вертикальной плоскости с учетом ширины основного лепестка его бистатической ДР в этой плоскости, при этом действительное значение мощности PC, рассеянных ЭО в направлении биссектрисы трехгранного угла в условиях свободного пространства, определяют с учетом ориентации ЭО относительно антенны РИК и оценки влияния на калибровку РИК дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC, позволяет повысить точность калибровки РИК (в частности, исключить смещение оценок мощности отраженных ЭО сигналов на входе РИК до 6 дБ [2] при некогерентном сложении PC в прямом и обратном направлениях) и расширить область применения известного устройства, например, на полигонах с диффузно отражающей ПП при калибровке РИК миллиметрового и сантиметрового диапазонов, РИК с пространственно разнесенными антенными системами, а также при использовании вышки с фиксированной высотой.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства калибровки, а на фиг.2 - геометрия полигона открытого типа и трассы распространения PC, поясняющие сущность калибровки РИК с помощью предложенного устройства. На фиг.3 и 4 приведены градуировочные и калибровочные характеристики РИК на длинах волны λ₁=3,1 см и λ₂=10,1 см соответственно, построенные для реальных условий зондирования ЭО (с использованием экспериментальных оценок мощности Р(θ, ϕ; π/2), Р(θ, ϕ; Δθ_0,5) отраженных им сигналов) и условий зондирования ЭО в свободном пространстве (с использованием оценки мощности Р^СП(θ₀, ϕ₀) по формуле (2)).

Заявленное устройство калибровки содержит (см. фиг.1): аттенюатор - 1, подключенный к калибруемому РИК - 2, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства - 3, к выходу которого подключен антенный переключатель - 4, а к первому и второму выходам переключателя - соответственно аттенюатор - 1 и приемо-передающая антенна - 5, приемного устройства - 6, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор - 1 и аналого-цифровой преобразователь с регистратором - 7, а также содержит металлический КЭ - 8, трехгранный уголковый ЭО - 9, установленный на малоотражающей вышке - 10, и устройство поворота ЭО - 11.

В устройстве калибровки используются типовые узлы и элементы, выполненные на современном уровне развития техники [8. Майзельс Е.Н. Измерение характеристик рассеяния современных целей. - М.: Сов. радио, 1972].

На фиг.2 изображены приемо-передающая антенна РИК-5, КЭ-8, ЭО - 9, малоотражающая вышка - 10, устройство поворота ЭО-11 и первая зона Френеля антенны РИК-12, а также представлены точки излучения a, b и их зеркальное изображение а′, b′, фазовый центр отражения ЭО с и линии g-g, параллельные горизонту.

На фиг.3 и 4 приведены графики исходных градуировочных характеристик РИК, представляющих собой зависимость амплитуды U₁ (U₂) PC, отраженных ЭО при его установке под прямым углом, на выходе приемного устройства РИК от отношения мощности Р этих сигналов к мощности сигналов фона Р_ф на входе РИК. Приведенные графики построены с помощью аттенюатора (путем введения различного затухания в отдельные каналы приемного устройства РИК) с использованием результатов измерений мощности Р(θ, ϕ; π/2) рассеянных ЭО PC. Уточненные градуировочные характеристики РИК построены на основе исходных с учетом оценки мощности Р^СП(θ₀, ϕ₀) и сравнения последней с мощностью Р(θ, ϕ; π/2) при заданной амплитуде U₁ (U₂) принимаемого сигнала. Для перехода от уточненных градуировочных к калибровочным характеристикам РИК необходимо и достаточно, используя амплитуду сигнала от ЭО U_ЭО при минимальном затухании δ (в децибелах), вводимом с помощью аттенюатора при зондировании ЭО, отложить по оси абсцисс известное значение его ЭПР S_эфф на соответствующей длине волны λ.

Представленные на фиг.3 и 4 графики получены при калибровке двухканальной РЛС типа МРЛ-5 (λ₁=3,1 см и λ₂=10,1 см) с помощью аттестованного трехгранного ЭО с ребром грани а=69,9 см (номинальное значение ЭПР S_эфф(λ₁)=709,4 м² и S_эфф(λ₂)=98,9 м²) на полигоне открытого типа со следующими характеристиками: высота антенн МРЛ-5 - h_A=3,35 м, высота ЭО на вышке - h_ЭО=10,25 м, расстояние R₁=505 м, расстояние R=785 м, превышение линии визирования "антенна РИК - ЭО" над КЭ - Н = 1,8 м, значение множителя W(λ₁)=1,38 и W(λ₂)=0,73, ширина основного лепестка бистатической ДР ЭО Δα_0,5 (λ₁)=4,6° и Δα_0,5 (λ₂)=15,1°, углы ориентации ЭО в вертикальной плоскости θ(λ₁)=4,6° и θ(λ₂)=15,1°, угол места ЭО в системе координат, связанной с РИК ε(λ₁)=ε(λ₂)=0,5°.

Калибровка РИК - 2 с помощью предложенного устройства выполняется следующим образом. В соответствии с Руководством по эксплуатации подготавливают РИК - 2 к работе и градуировке.

Проводятся традиционные мероприятия, направленные на снижение уровня фона, обусловленного отражениями от местных предметов в пределах импульсного объема РИК - 2 в окрестностях вышки - 10 (фиг.2). Рассматриваемый уровень фона должен быть, как минимум, на 26...30 дБ [1] ниже по сравнению с уровнем сигнала от ЭО - 9. Для практического исключения влияния на калибровку РИК - 2 многолучевого распространения зондирующих и рассеянных ЭО - 9 PC в центре первой зоны Френеля антенны РИК - 2 устанавливают КЭ - 8. В дальней зоне локации РИК - 2 на дальности прямой видимости R (фиг.2) устанавливают малоотражающую вышку - 10, устройство поворота - 11 и ЭО - 9. С помощью уровня-угломера горизонтируют ЭО - 9 и ориентируют его на РИК - 2; затем устанавливают ЭО - 9 под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования "ЭО - антенна РИК" и докладывают (по радиоканалу) о готовности к проведению градуировки.

Градуировку РИК - 2 выполняют по типовой методике с помощью аттенюатора - 1 (путем введения различного затухания δ) по сигналу, рассеянному ЭО - 9 в направлении РИК - 2. При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя с регистратором - 7 получают графики зависимостей U_к=f_к (Р/Р_ф), где U_к - амплитуда PC на выходе к-го (к=1, 2, ...) частотного канала РИК - 2, Р/Р_ф - относительная мощность сигнала, рассеянного ЭО - 9, на входе РИК - 2 при соответствующем затухании аттенюатора - 1 в канале (в децибелах относительно мощности Р_ф сигнала фона).

С помощью аттенюатора - 1 вводят минимальное затухание δ, необходимое для приема и регистрации рассеянных ЭО - 9 PC без искажения (ограничения) амплитуды сигналов согласно градуировочной характеристике РИК - 2. Выполняют зондирование ЭО - 9 с помощью генерируемых передатчиком - 3 PC, поступающих через антенный переключатель - 4 на приемопередающую антенну - 5, которая излучает PC в направлении ЭО - 9. Рассеянные ЭО - 9 PC поступают на приемо-передающую антенну - 5 и далее через антенный переключатель - 4, аттенюатор - 1, приемное устройство - 6 на аналого-цифровой преобразователь с регистратором - 7. Далее с помощью аттенюатора - 1 вводят максимальное затухание δ, соответствующее превышению мощности рассеянных ЭО - 9 PC над уровнем фона 30 дБ, и повторяют зондирование ЭО - 9 аналогично описанному выше.

По команде с РИК - 2 устанавливают ЭО - 9 под тупым углом α в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования "ЭО - антенна РИК" и докладывают о готовности к зондированию ЭО - 9, повторяют зондирование ЭО - 9, установленного под тупым углом α, последовательно при минимальном и максимальном затухании, вводимом с помощью аттенюатора - 1.

Амплитуда PC, рассеянных ЭО - 9 на выходе РИК - 2, запоминается с помощью аналого-цифрового преобразователя с регистратором - 7 и используется при построении калибровочных характеристик РИК - 2 (фиг.3, 4).

По завершении зондирования ЭО - 9 и снятия его с малоотражающей вышки - 10 выполняют зондирование вышки - 10 и регистрацию отраженных PC при минимальном затухании, вводимом с помощью аттенюатора - 1 при зондировании ЭО - 9.

С использованием градуировочных характеристик РИК - 2 на основе зарегистрированных значений амплитуд PC на выходе частотных каналов приемного устройства - 6 оценивают мощность Р(θ, ϕ; π/2) и Р(θ, ϕ; Δθ_0,5), рассеянных PC при различной ориентации ЭО - 9. Оценки этой мощности используют для расчета по формулам (2) и (3) соответственно действительного значения мощности Р^СП(θ₀, ϕ₀) PC, рассеянных ЭО - 9 в направлении биссектрисы его трехгранного угла в условиях свободного пространства, и множителя ослабления свободного пространства W. Типичные графики градуировочных и калибровочных характеристик РИК - 2, полученные соответственно с использованием оценок мощности Р(θ, ϕ; π/2) и Р^СП(θ₀, ϕ₀) рассеянных ЭО - 9 PC на длинах волн 3,1 и 10,1 см, приведены на фиг.3 и 4.

Повышение точности калибровки с помощью заявляемого устройства достигается на основе учета и практического исключения влияния на калибровку РИК зеркального отражения ПП полигона и дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC, а также учета ориентации ЭО относительно приемопередающих антенн РИК. Предлагаемое устройство, кроме того, позволяет существенно расширить область калибровки РИК за счет снижения уровня ограничений к типу ПП полигона, диапазону рабочих длин волн калибруемого РИК и техническим характеристикам вышки. Калибровка РИК с помощью предлагаемого устройства предусматривает оценку мощности PC, рассеянных ЭО в условиях свободного пространства, что обеспечивает воспроизводимость результатов калибровки РИК и измерений ЭПР воздушных целей на трассе "земля-воздух".

Устройство калибровки наземных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места, содержащее аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемопередающая антенна, и приемное устройство, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащее металлический трехгранный уголковый эталонный отражатель (ЭО), установленный в дальней зоне локации РИК, отличающееся тем, что в него введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемопередающей антенны РИК металлический клиновидный экран, высоту, длину и просвет относительно линии "антенна РИК-ЭО" которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения подстилающей поверхностью полигона зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов, и размещенное на малоотражающей вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией "антенна РИК-ЭО" и тупым углом α в этой плоскости, определяемым выражениями

и

где π≅3,14 ...;

Δθ_0,5 - ширина основного лепестка бистатической диаграммы рассеяния ЭО по уровню 0,5 в вертикальной плоскости;

а - размер ребра трехгранного ЭО с треугольными гранями (а/λ≥8);

λ - длина волны зондирующего излучения РИК.