Способ радиолокации объектов в воздухе и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения и определения конфигурации ионизованных образований в воздухе. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности достигается за счет того, что в известном способе, включающем размещение источника зондирующего электромагнитного излучения заданного, например метрового, диапазона длин волн, перед отражающей поверхностью, формирование параллельного пучка за счет взаимодействия излучения источника с отражающей поверхностью, геометрически представляющей собой поверхность тела вращения, регистрацию отклика и определение коэффициента отражения радиосигналов от объекта, например от области ионообразования, отражающую поверхность формируют за счет поляризации молекул воздуха электромагнитным излучением определенной частоты, создаваемого дополнительным источником электромагнитного излучения. При этом наибольшая плотность поляризованных молекул воздуха достигается при воздействии на окружающий воздух пучком электромагнитного излучения газового лазера, например на CO₂, а отражающую поверхность формируют в виде поверхности прямого конуса. Устройство для осуществления заявленного способа отличается от известных тем, что антенна снабжена по крайней мере двумя излучателями, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения выполнен в виде кольцевого цилиндрического лазера, на торцевой поверхности которого наклеена кольцевая оптическая призма, причем первый излучатель установлен на антенне на высоте от плоскости размещения лазера, определяемой из выражения и каждый последующий - на расстоянии один от другого, кратном длине волны, а угол между нормалью к внутренней поверхности кольцевой призмы и осью узла формирования равен углу между боковыми поверхностями призмы и равен углу Брюстера для излучения лазера. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации и может использоваться для обнаружения и наблюдения за ионизационными образованиями, возникающими в воздушной среде, за счет воздействия на окружающий воздух жесткого электромагнитного и/или корпускулярного излучения.

Известен способ дистанционного зондирования воздушной среды, в том числе с получением отклика от ионизованных образований, возникающих вследствие воздействия на воздушную среду излучения мощных радиоактивных источников [1].

Недостатком указанного способа является низкий сигнал отклика при локации ионизированных образований в воздухе и необходимость использования мощных радиолокационных устройств.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный способ дистанционного радиолокационного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, включающий размещение источника зондирующего электромагнитного излучения заданного, например метрового, диапазона длин волн перед отражающей поверхностью, формирование параллельного пучка за счет взаимодействия излучения источника с отражающей поверхностью, геометрически представляющей собой поверхность тела вращения, регистрацию отклика и определение коэффициента отражения радиосигналов от объекта, например от области ионообразования [2].

Недостатком данного способа является необходимость использования для получения уверенного сигнала отклика мощных радиолокационных устройств с антенными отражателями большого диаметра, например РЛС ракетно-зенитных комплексов С-300, применявшихся в работах [1, 3]. Кроме того, недостаточная чувствительность способа связана с тем, что, в основном, наблюдения приходится выполнять с больших расстояний от объектов, так как указанные устройства являются РЛС специального назначения, недостаточно мобильны и не предназначены для работы в оптимальном режиме наблюдения ионизированных образований (диапазоне длин волн).

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности при обеспечении радиационного контроля зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений.

В предлагаемом способе радиолокации объектов в воздухе включающем размещение источника зондирующего электромагнитного излучения заданного, например метрового, диапазона длин волн, перед отражающей поверхностью, формирование параллельного пучка за счет взаимодействия излучения источника с отражающей поверхностью, геометрически представляющей собой поверхность тела вращения, регистрацию отклика и определение коэффициента отражения радиосигналов от объекта, например от области ценообразования, отличающийся тем, что отражающую поверхность формируют за счет поляризации молекул воздуха электромагнитным излучением определенной частоты, создаваемого дополнительным источником электромагнитного излучения. При этом наибольшая плотность поляризованных молекул воздуха достигается при воздействии на окружающий воздух пучком электромагнитного излучения газового лазера, например на CO₂, а отражающую поверхность формируют в виде поверхности прямого конуса.

Физической основой предлагаемого способа является эффект поляризации атомов и молекул воздушной среды под воздействием электрического поля высокоинтенсивной световой волны лазерного излучения. Если, кроме того, излучение является линейно поляризованным, а вектор электрического поля будет нормален плоскости излучения, то в плоскости падения луча в окрестности его распространения будет образовываться связанный заряд. Если излучение лазера будет представлять собой плоскость (см. фиг.1), то связанный заряд будет образовываться над всей плоскостью. Связанный заряд имеет свойства, подобные свободному (см. опыт Эйхенвальда А.А. [4]), и также обладает возможностью отражать электромагнитное излучение [5]. Если излучение лазера формируется в виде конусной поверхности, показанной на фиг.2, то поляризованные атомы и молекулы воздушной среды, располагающиеся вблизи поверхности распространения луча лазера, будут представлять собой "зеркало" антенны, т.е. отражающую поверхность для сканирующего и отраженного длинноволнового электромагнитного излучения.

Чтобы оценить коэффициент отражения электромагнитной волны на связанном заряде, в первую очередь необходимо найти функцию распределения электрического поля в лазерном пучке при распространении последнего в воздухе, а также величину связанного заряда. С этой целью рассмотрим аксиально-изотропное излучение видимого диапазона длин волн, распространяющееся в направлении нормали к боковой поверхности цилиндра малой высоты и внешним радиусом r₀ (фиг.3). Для распространяющейся в воздушной среде электромагнитной волны видимого диапазона длин волн частотой ω и скоростью ν, где ν=c/n, c - скорость света в вакууме; n - коэффициент преломления, рассмотрим решение волнового уравнения для напряженности электрического поля в цилиндрической геометрии, учитывая, что с ростом расстояния r от источника интенсивность излучения лазера за счет ее поглощения в воздухе должна уменьшаться. Поэтому, представляя коэффициент преломления в виде комплексной величины =n-iχ [6], где n, χ - действительные значения коэффициентов преломления и поглощения соответственно, являющихся функциями собственной частоты атомов и молекул ω_nm и падающей частоты световой волны ω, a i - мнимая единица, запишем волновое уравнение в виде:

с граничными условиями:

где E₀ - действительное; t - время распространения электромагнитной волны.

Представляя электрическое поле в виде произведения E(r,t)=E'(r)e^iωt, где Е'(r) - в общем случае комплексная функция действительного аргумента, из уравнения (1), получим:

с граничными условиями:

Решение уравнения (4) в общем виде представляет собой выражение:

где Φ(r) и Ψ(r) - функции действительного аргумента r. Подставляя последнее соотношение в уравнение (4) и отделяя действительную часть от мнимой, для функций Φ(r) и Ψ(r) в цилиндрической системе координат получаем систему уравнений:

При этом учитывая, что , граничные условия (5), (6) приобретают вид:

Решение уравнения (1) полностью определяет значение электрического поля вида как функции радиуса в распространяющейся в воздухе световой волне излучения лазера. При этом поляризация атомов и молекул воздуха в пучке лазерного излучения зависит как от полной энергии, т.е. от длительности излучения τ₀ и мощности энергии P₀, передаваемой рабочему телу лазера, так и от частоты вынужденных колебаний световой волны ω, а также от частоты собственных колебаний атомов и молекул ω_nm, поскольку от последних зависят коэффициенты преломления n и поглощения χ. Эти зависимости имеют вид [6]:

где е, m₀ - заряд и масса электрона соответственно; ΔN_nm - концентрация атомов и молекул, характеризуемых частотой перехода ω_nm; γ^*=γ+γ'; γ=1/τ; γ=1/τ';

τ - длительность возбужденного состояния атома, τ˜10^-8 c, τ' - средняя длительность свободного пробега атома между двумя его последовательными столкновениями с другими частицами (атомами, молекулами). Величину последней можно оценить, исходя из следующего. Если среднее расстояние между атомами и молекулами в воздухе равно , где N₀ - концентрация молекул в воздухе (N₀=2,75·10¹⁹ см^-3), а скорость движения атома или молекулы массой М при температуре T°К равна , где k - постоянная Больцмана, то τ'=l/V=≈6,8·10^-11.

Зависимость напряженности электрического поля Е₀ как функции собственных частот атомов и молекул - ω_nm и частоты лазерного излучения - ω представляется выражением:

в котором комплексная диэлектрическая проницаемость и комплексно-сопряженная ей величина имеют вид: , , так что .

Дальнейшие оценки приводят к следующей зависимости модуля коэффициента отражения от области поляризации воздуха в пучке лазерного излучения от частоты сканирующего радиоизлучения - ω_дл:

где m₀ - масса электрона.

Полученное выражение указывает на резонансный характер зависимости коэффициента отражения от частоты излучения лазера ω и собственных частот ω_nm атомов и молекул газа, в котором распространяется лазерное излучение, поскольку именно такую зависимость от указанных величин имеют как коэффициенты n, χ, так и все коэффициенты, входящие в выражение для модуля электрического поля коротковолнового излучения лазера. Резонансный характер зависимости |R| от ω, ω_nm указывает на целесообразность выбора для указанных целей газоразрядного лазера на CO₂, для которого излучение на длине волны λ=10,6 мкм соответствует ω=1,778·10¹⁴ с^-1, а собственные частоты молекул составляют величину ˜ 10¹⁴ с^-1, что значительно ниже частот при использовании рубинового лазера λ=0,694 мкм (ω=2,716·10¹⁵ с^-1) или лазера на ниобиевом стекле λ=1,058 мкм (ω=1,782·10¹⁵ с^-1). Таким образом, выбирая лазер с частотой излучения, близкой к резонансной, мы существенно повысим коэффициент отражения |R| и эффективность работы устройств, разработанных на основе рассмотренного выше эффекта.

Известны радиолокационные устройства, содержащие источник радиоволн, излучатель, зеркальные отражатели для формирования параллельного пучка зондирующего излучения, выполненные в виде поверхности тела вращения, чаще параболической [7, 8]. Недостатком указанных устройств являются большие габариты отражателей и как следствие недостаточная мобильность, что затрудняет проведение, например, дистанционного радиолокационного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений с оптимального расстояния от объекта.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство радиолокации объектов в воздухе, содержащее источник зондирующего электромагнитного излучения радиодиапазона, штыревую антенну, снабженную излучателем, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения, приемное устройство, причем излучатель размещен на антенне, установленной соосно с узлом формирования, выполненным в виде поверхности тела вращения [2].

Недостатком данного устройства являются большие габариты отражателя, необходимые для получения уверенного сигнала отклика. Кроме того, указанное устройство является РЛС специального назначения, недостаточно мобильно, что не позволяет обеспечить, например, наблюдения ионизированных образований над зонами объектов с радиоактивными выбросами и загрязнениями с оптимальной дистанции.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение габаритов отражающей поверхности и повышение чувствительности устройства при обеспечении радиационного контроля зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений.

В заявляемом устройстве радиолокации объектов в воздухе, содержащем источник зондирующего электромагнитного излучения радиодиапазона, штыревую антенну, снабженную излучателем, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения, приемное устройство, причем излучатель размещен на антенне, установленной соосно с узлом формирования, выполненным в форме тела вращения, антенна снабжена по крайней мере двумя излучателями, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения выполнен в виде кольцевого цилиндрического лазера, на торцевой поверхности которого наклеена кольцевая оптическая призма, причем первый излучатель установлен на антенне на высоте от плоскости размещения лазера, определяемой выражением:

где λ - длина волны зондирующего излучения;

r₀ - внешний радиус кольцевого лазера,

и каждый последующий - на расстоянии один от другого, кратном длине волны, а угол между нормалью к внутренней поверхности кольцевой призмы и осью узла формирования равен углу между боковыми поверхностями призмы и равен углу Брюстера для излучения лазера.

Схема радиолокатора на основе лазера приведена на фиг.2. Устройство содержит источник зондирующего электромагнитного излучения радиодиапазона (не показан), штыревую антенну 1 с излучателями, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения, содержащий кольцевой лазер 5 с отражающими зеркалами 4, и кольцевую оптическую призму 3, наклеенную на торцевую рабочую поверхность лазера, приемное устройство (не показано).

На фиг.4 показано размещение излучателей (стримеров) на штыревой антенне: первый излучатель установлен на высоте от плоскости размещения лазера, определяемой выражением (15), а каждый последующий - на расстоянии один от другого, кратном длине волны. Угол между нормалью к внутренней поверхности кольцевой призмы и осью узла формирования равен углу между боковыми поверхностями призмы и равен углу Брюстера для излучения лазера.

Устройство работает следующим образом. При включении источника электромагнитного излучения выходящий из призмы луч перпендикулярен внешней поверхности призмы, т.е. луч с образующей поверхности составляет π/2. Грани кольцевой призмы исполнены таким образом, чтобы луч, падающий на внутреннюю грань призмы, составлял угол Брюстера относительно нормали к внутренней поверхности, а отраженный, который является полностью линейно-поляризованньм, падал нормально на внешнюю грань.

Литературные ссылки

1. Елохин А.П., Кононов Е.Н. Применение радиолокационных станций для обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу. Атомная энергия т.80, вып.1, январь 1996 г.

2. Елохин А.П. Патент России №2147137, кл. G 01 S 13/02, G 01 T 1/167 Способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений.

3. Боярчук И.А., Кононов Е.Н., Ляхов Г.А. Радиолокационное обнаружение областей локальной ионизации в приземных слоях атмосферы. Письма ЖЭТФ, 1993 г., т.10, вып.6, с.67-72.

4. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1966, 624 с.

5. Елохин А.П. О некоторых эффектах пирамиды А.Голода. Экологические системы и приборы. 2001, №4, с.36-43.

6. Королев Ф.А. Теоретическая оптика. М.: Высшая школа, 1966, 555 с.

7. Большой энциклопедический словарь. "Физика", Радиотелескоп параболический, с.610.

8. Довиак Р. и Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 512 с.

1. Способ радиолокации объектов в воздухе, включающий размещение источника зондирующего электромагнитного излучения заданного, например метрового, диапазона длин волн, перед отражающей поверхностью, формирование параллельного пучка за счет взаимодействия излучения источника с отражающей поверхностью, геометрически представляющей собой поверхность тела вращения, регистрацию отклика и определение коэффициента отражения радиосигналов от объекта, например от области ионообразования, отличающийся тем, что отражающую поверхность формируют за счет поляризации молекул воздуха электромагнитным излучением определенной частоты, создаваемым дополнительным источником электромагнитного излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отражающую поверхность формируют за счет воздействия на окружающий воздух пучком электромагнитного излучения газового лазера, например на CO₂.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отражающую поверхность формируют в виде поверхности конуса.

4. Устройство радиолокации объектов в воздухе, содержащее источник зондирующего электромагнитного излучения радиодиапазона, штыревую антенну, снабженную излучателем, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения, приемное устройство, причем антенна установлена соосно с узлом формирования, выполненным в форме тела вращения, отличающееся тем, что антенна дополнительно снабжена по крайней мере одним излучателем, узел формирования параллельного пучка зондирующего излучения выполнен в виде кольцевого цилиндрического лазера, на торцевой поверхности которого наклеена кольцевая оптическая призма, причем первый излучатель установлен на антенне на высоте от плоскости размещения лазера, определяемой выражением

где λ - длина волны зондирующего излучения;

r₀ - внешний радиус кольцевого лазера,

и каждый последующий - на расстоянии один от другого, кратном длине волны, а угол между нормалью к внутренней поверхности кольцевой призмы и осью узла формирования равен углу между боковыми поверхностями призмы и равен углу Брюстера для излучения