Устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов
Владельцы патента RU 2439605:
Нестеров Сергей Михайлович (RU)
Скородумов Иван Алексеевич (RU)
Ковалев Сергей Владимирович (RU)
Моряков Станислав Игоревич (RU)
Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния различных объектов радиолокации, имеющих небольшие (до нескольких полуволн) размеры. Основано на измерении дифракционных максимумов сигналов, отраженных от эквидистантной решетки из этих объектов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размещаемых в ограниченной зоне измерений. Устройство содержит передающий и приемный блок, соединенный с регистратором, опорно-поворотный блок, на котором закреплена двумерная плоская квадратная эквидистантная решетка из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов, размещаемых в узлах двумерной сетки с квадратными ячейками с шагом , где λ - длина волны, при этом одна из ее диагоналей, нормаль к плоскости решетки, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости. 5 ил.
Заявляемое изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны.
Известен способ измерения ЭПР с использованием импульсной локации, включающий помещение исследуемого объекта в поле, излучаемое импульсным локатором, измерение рассеянной мощности и сравнение ее с мощностью, рассеянной эталонным отражателем (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио». 1972, с.166-174).
Однако указанный способ позволяет измерять ЭПР только в тех случаях, когда мощность полезного сигнала выше мощности фоновых отражений, т.е. ЭПР исследуемого объекта выше ЭПР фона.
Существуют технические решения, позволяющие решить эту проблему. Например, способ, основанный на облучении линейной эквидистантной решетки (ЛЭР), составленной из одинаковых и одинаково ориентированных объектов, и приеме рассеянного на ней сигнала, по которому судят об эффективной поверхности рассеяния отдельного объекта (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975, с.219).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является известное устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов (SU, авторское свидетельство №491111, МКИ G01R 29/10, 1975 г. - прототип). Конструкция данного устройства проиллюстрирована на фиг.1. Устройство содержит передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором закреплена эквидистантная решетка из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов 5, при этом нормаль к решетке, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от решетки волны лежат в одной плоскости.
Достоинством данного устройства является обеспечение возможности высокоточных измерений ЭПР объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны. Полагают, что в максимумах отражения от решетки ее ЭПР близка к ЭПР уединенного объекта, умноженной на квадрат их числа. Требуемый для измерений ЭПР с заданной точностью уровень превышения мощности отраженного сигнала над фоном достигается путем увеличения числа объектов решетки.
Однако известное устройство обладает существенным недостатком. Оно не позволяет с требуемой точностью измерять ЭПР радиолокационных объектов со сверхмалыми уровнями отражений: в этом случае необходима решетка с таким большим числом объектов, что ее линейный размер будет превышать размер зоны измерения.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размер которых соизмерим и меньше длины волны.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является повышение мощности сигнала, отражаемого эквидистантной решеткой, размер которой ограничен размером зоны измерений, и увеличение отношения сигнал - фон при измерениях ЭПР.
Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются посредством того, что в устройстве для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, содержащем передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором согласно изобретению закрепляют двумерную плоскую квадратную эквидистантную решетку из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов 5, размещаемых в узлах плоской двумерной квадратной сетки с шагом и ориентируют решетку так, что одна из ее диагоналей, нормаль к плоскости решетки, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от решетки волны лежат в одной плоскости (фиг.2).
Из методики построения линейной эквидистантной решетки (ЛЭР) для измерения с заданной точностью сверхмалых уровней ЭПР объектов (Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. // РЭ, 1995. Т.40. №9, с.1346) известно соотношение, устанавливающее зависимость ошибки измерения ЭПР δ1 от отношения размера зоны измерения к линейному размеру решетки в направлении максимального отражения ЛЭР:
где 
π=3,1415926
L - линейный размер решетки;
R - дальность локации;
θ0,5 - ширина гауссовской диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности.
Очевидно, что увеличение мощности максимального отражения ЛЭР за счет увеличения числа N объектов вследствие увеличения линейных размеров ЛЭР приводит к неприемлемым ошибкам измерения сверхмалых значений ЭПР одиночного объекта.
Увеличения числа N объектов в решетке при ограничении на ее размер можно достичь путем замены линейной решетки на двумерную квадратную решетку (фиг.3а, b).
Рассмотрим известную (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975, с.220-222) линейную решетку из неодинаковых по величине ЭПР объектов, у которой разность значений ЭПР соседних объектов равна значению ЭПР крайнего в решетке отражателя, т.е. σi=σ1-σ2 (фиг.3с).
Данную линейную решетку можно заменить на соразмерную с ней плоскую двумерную квадратную решетку, если одинаковые и одинаково ориентированные радиолокационные объекты измерений разместить в узлах плоской двумерной квадратной сетки с шагом 
и вращать решетку вокруг ее диагонали, сориентировав решетку так, что вторая диагональ квадратной решетки, нормаль к плоскости решетки, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки волны лежат в одной плоскости (фиг.2).
Принцип действия устройства основывается на следующем. Составленная из идентичных объектов измерения двумерная квадратная эквидистантная решетка с шагом 
помещается в радиолокационном поле под углом
где λ - длина волны;
d - период решетки;
θi - угол падения излученной передатчиком электромагнитной волны на плоскость решетки;
θs - угол отражения электромагнитной волны от решетки в направлении приемника;
n - целое число;
θ - угол между нормалью к решетке и биссектрисой угла разноса приемной и передающей антенн.
Рассеянную решеткой мощность определяют путем сравнения с эталоном ее ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением измеренной величины на число элементов в решетке, возведенное в квадрат. Использование нескольких идентичных объектов, составленных в квадратную эквидистантную решетку, позволяет в направлениях задаваемых выражением (2), за счет сложения амплитуд рассеянных отдельными объектами полей, увеличить полезный сигнал до величины, превышающей уровень фона используемой измерительной установки.
При одинаковых размерах линейной и двумерной решеток число объектов в последней увеличивается в разы.
На фиг.1 приведена конструкция известного устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов, на фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов, на фиг.3 приведена конструкция известной (а), предлагаемой (b) и составленной из неодинаковых отражателей (с) решеток, на фиг.4 приведена рассчитанная диаграмма обратного отражения (ДОО) устройства-прототипа линейной решетки из 7 одинаковых микросфер, на фиг.5 приведена рассчитанная ДОО предлагаемого устройства квадратной решетки из 16 одинаковых микросфер.
Устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов работает следующим образом. Двумерную квадратную решетку, составленную из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов с шагом 
, ориентируют так, что одна из диагоналей квадратной решетки, нормаль к плоскости решетки, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки волны лежат в одной плоскости. Равномерно вращают квадратную решетку вокруг второй диагонали. Излучаемые передающим блоком радиоволны рассеиваются на составленной таким образом решетке и через приемный блок регистрируются регистратором.
При рассеянии радиоволн на исследуемых объектах происходит следующее. Разность хода волн, падающих на соседние объекты, составляет:
Δi=dsinθi
для волн, рассеянных этими же объектами:
Δs=dsinθs
а суммарная составит:
Δi+Δs=d(sinθi+sinθs).
Если при этом разность фаз составит целое число периодов, т.е.
d(sinθi+sinθs)=nλ
то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал в направлении θs увеличивается по мощности в N2 раз. При d≥λ/2 в ДОО решетки формируется больше одного дифракционного лепестка. Кроме того, при выполнении этого условия влияние на ЭПР решетки переотражений между ее объектами мало, и ЭПР решетки близка к ЭПР уединенного объекта σi, умноженной на число объектов в квадрате (N2). Тем самым, используя двумерную квадратную решетку с шагом между объектами 
, можно измерить ЭПР исследуемых объектов с уровнем, меньшим уровня фоновых отражений.
Энергетический выигрыш, который обеспечивает предлагаемая двумерная квадратная решетка по сравнению с линейной, происходит не только за счет размещения в ней большего числа объектов измерения, но и благодаря вращению вокруг диагонали решетки. В этом случае формируется ДОО с более низким, чем у линейной решетки, уровнем боковых лепестков, что способствует увеличению отношения сигнал-фон. Поясним данное утверждение на примере методики выбора геометрических параметров оптимальных антенных решеток (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Проф. Д.И.Воскресенского. Сов. Радио. М.: 1972, с.55-63). Известно, что для подавления обычных боковых лепестков используют амплитудные распределения, обеспечивающие спадание амплитуд токов в излучателях (объектах измерения) к краям антенны. В выше приведенном источнике опубликованы характеристики излучения прямоугольных раскрывов при различных законах распределения поля. Отмечается, что при малых расстояниях между излучателями (объектами) они справедливы и для дискретных двумерных антенных решеток. Причем, учитывая принцип взаимности, характеристики излучения антенны при согласованном приеме остаются справедливыми и для анализа рассеянного поля, т.е. ДОО. При равномерном распределении амплитуды отраженного поля, имеющей разрыв первой производной на краю раскрыва, как в случае с вращающейся линейной или двумерной решеткой размера L, уровень первого бокового лепестка равен - 13,2 дБ, а уровень остальных лепестков уменьшается пропорционально l/u, где u=(kL/2)sinθ, θ - угол поворота (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Проф. Д.И.Воскресенского. Сов. Радио. М.: 1972, с.25). В случае треугольного распределения уровень первого бокового лепестка составляет - 26,4 дБ, а уровень остальных лепестков уменьшается пропорционально l/u2. Вращающаяся вокруг диагонали двумерная квадратная решетка имеет ДОО, близкую по форме к диаграмме излучения линейной (прямоугольной) решетки того же размера с треугольным распределением амплитуды отраженного поля (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975, с.221). Подтверждением этому могут служить ДОО прямоугольных и треугольных металлических пластин (Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Сов. радио». 1975, с.127). Сравнение этих ДОО показывает, что уровни боковых лепестков прямоугольных и треугольных металлических пластин, по отношению к максимуму, соответственно составляют - 13,3 дБ и - 26,6 дБ для первых и - 18 дБ и - 35,6 дБ для вторых лепестков.
Если решетку из объектов измерений размещают на пластине, то дополнительным преимуществом треугольной (ромбической) формы раскрыва является возможность устранения влияния на ЭПР решетки при углах, близких к скользящим, излучения поверхностной волны, формируемой пластиной. Например, использование в этом случае треугольных насадок-законцовок, по аналогии с переизлучателями перископических антенн (Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, т.2. М.: «Связь». 1977, с.121), снижает мощность излучения поверхностной волны до 32 дБ.
Таким образом, повышение точности измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов в двумерной квадратной решетке, по сравнению с соизмеримой линейной решеткой, достигается за счет:
увеличения мощности максимального отражения от двумерной квадратной решетки, составленной из большего количества объектов измерения;
уменьшения уровня боковых лепестков в ДОО двумерной квадратной решетки, вращающейся вокруг диагонали.
Проверка предлагаемого технического решения проведена методом математического моделирования. Для этого использовались следующие данные:
длина волны (λ) радиоизлучения - 3,2 см, исследуемое устройство-прототип - линейная решетка из 7 одинаковых микросфер с уровнями ЭПР 10-5 м2, и предлагаемое устройство - квадратная решетка равных линейных размеров с прототипом, составленная из 16 аналогичных микросфер. В обоих устройствах период решетки d равнялся λ.
Анализ полученных результатов показал, что превышение полезного сигнала над фоновыми отражениями (уровень первых боковых лепестков) в первом случае составляет (фиг.4) 13,5 дБ, во втором - (фиг.5) 22,5 дБ. Данный результат на основании зависимости максимальной погрешности измерения ЭПР объекта от уровня фона (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио». 1972, с.190) обеспечивает уменьшение погрешности измерений с 2,3 дБ до 0,7 дБ.
Технический результат достигнут: повышена мощность сигнала, отражаемого эквидистантной решеткой, размер которой ограничен размером зоны измерений, и увеличено отношение сигнал-фон.
Задача изобретения решена: заявляемое устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов позволяет повысить точность измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размер которых соизмерим и меньше длины волны.
Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей, поскольку заключается в замене одной решетки на другую.
Устройство для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, содержащее передающий блок, приемный блок, соединенный с регистратором, опорно-поворотный блок, на котором закреплена эквидистантная решетка из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов, при этом нормаль к решетке, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости, отличающееся тем, что на опорно-поворотном блоке закрепляют двумерную плоскую квадратную эквидистантную решетку, образованную измеряемыми радиолокационными объектами, размещенными в узлах двумерной сетки с квадратными ячейками с шагом 
где λ - длина волны, и ориентируют решетку таким образом, что одна из ее диагоналей, нормаль к плоскости решетки, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости.
