ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ МОДЕЛЕЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ
MEASURING APPARATUS FOR MEASURING SCATTERING CROSS-SECTION OF RADAR TARGETS MODELS

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для измерения эффективной площади рассеяния (ЭПР) моделей радиолокационных целей в монохроматическом поле.
Преимущественная область использования изобретения на предприятиях, разрабатывающих цели по технологии «Стелс» как измерительное средство, обеспечивающее измерение малых значений ЭПР разрабатываемых целей на моделях в проектных отделах предприятий.
На полигонах монохроматического излучения падающего поля измерение производят в безэховых камерах (БЭК) в присутствии когерентных помех, вызванных зеркальными отражениями падающего поля от стен БЭК, опоры модели и диффузном рассеянии поля.
Известно устройство для измерения эффективной площади рассеяния (Патент РФ №2063641 на изобретение «Способ измерения эффективной площади рассеяния и устройство для его осуществления», 1992 г.). Устройство содержит передатчик, приемник, направленный ответвитель, комплексную нагрузку, приемно-передающую антенну и опору.
Общие признаки аналога и изобретения: передатчик, приемник, разделитель приемного и передающего сигналов, переменная комплексная нагрузка, приемно-передающая антенна и опора модели цели.
Аналог не позволяет компенсировать когерентную помеху, вызванную отражением от опоры, что является его недостатком.
Известно устройство для измерения радиолокационных характеристик целей, принятое за прототип изобретения (Авт. св. СССР №1536326 на изобретение «Устройство для измерения характеристик радиолокационного рассеяния объекта», 1987 г.), которое содержит передатчик, приемник, двойной волноводный тройник, переменную комплексную волноводную нагрузку, направленный ответвитель, приемно-передающую антенну, приемную антенну, фазовращатель, переменный аттенюатор и опору цели. Приемная антенна, принимающая отраженный от опоры сигнал, имеет диаграмму направленности (ДН) по «нулям» в два раза уже ДН приемно-передающей антенны, которая принимает отраженный от модели и опоры сигнал. Сигнал с выхода приемной антенны находится в противофазе с сигналом от опоры, который принимает приемно-передающая антенна и тем самым происходит их взаимная компенсация. Однако приемная антенна имеет диаграмму направленности, как любая антенна, с боковыми лепестками, ее первый боковой лепесток направлен на цель, имеет амплитуду на 17 дБ меньше амплитуды ее основного лепестка. Сигнал цели на 30-40 дБ больше сигнала, отраженного от опоры, поэтому часть сигнала цели, принимаемого приемной антенной по боковому лепестку, в приемнике в противофазе сигналу цели и поэтому будет уменьшать истинное значение ЭПР модели, что является недостатками прототипа. Кроме того, прототип имеет две антенны, чем усложняется измерительная установка.
Признаки общие прототипа и изобретения: передатчик, приемник, двойной волноводный тройник, комплексная нагрузка, приемно-передающая антенна, опора модели цели и электрические связи между ними.
Техническим результатом изобретения является увеличения точности измерения ЭПР моделей целей за счет уменьшения, до минимально возможного значения, суммарной когерентной помехи, вызванной зеркальными отражениями от стен БЭК, опоры цели и диффузным рассеянием падающего поля.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена конструкция и структурная схема измерительной установки по изобретению, на которой введены обозначения: 1 - передатчик; 2 - двойной тройник; 3 - переменная комплексная согласованная нагрузка (КСН); 4 - приемник; 5 - приемно-передающая антенна (ППА); 6 - опора цели; 7 - компенсационная опора; 8 - безэховая камера (БЭК), на чертеже приведена со снятой правой боковой стеной; 9 - подъемник опор 6 и 7, как единого целого; 10 - эталонный отражатель или измеряемая модель цели; 11 - диаграмма направленности ППА. На фиг. 2 представлена конструкция подъемника опоры модели 6 и компенсационной опоры 7: а) вид сбоку по стрелке А; б) крепление подъемника к полу БЭК; длинная стрелка на фиг. 2,а обозначает направление электрической оси антенны.
Предпосылки изобретения
При установке плоской задней стены безэховой камеры (БЭК) нормально к электрической оси измерительной антенны падающее поле проходит через зону безэховости, отражается от облицовочного радиопоглощающего материала (РПМ), и возвращается в безэховую зону ослабленным на значение коэффициента отражения РПМ в децибелах (дБ).
При установке плоской задней стены БЭК под углом 45° к электрической оси измерительной антенны, падающее поле проходит зону безэховости, отражается от РПМ задней стены на РПМ пола БЭК, от пола на РПМ задней стены и возвращается в безэховую зону ослабленным на три значения коэффициента отражения РПМ - на 60 дБ и больше (фиг. 1), поэтому задняя стена не создает когерентной помехи.
Опора находится на одной дальности с моделью, уменьшить когерентную помеху, вызванную отражением от нее падающего поля, можно только путем компенсации. Для того чтобы скомпенсировать эту помеху полностью, надо ввести в безэховую зону БЭК вторую опору - компенсационную, тождественную опоре модели, и установить ее жестко, параллельно и рядом с опорой модели на расстоянии больше диаметра опор со сдвигом вдоль электрической оси антенны на нечетное число четвертей длины волны λ падающего пол - (2m-1)·λ/4, где m - числа натурального ряда. Например, при λ=20 мм, компенсационную опору надо установить со сдвигом вдоль электрической оси антенны не менее чем на 5 мм. При этом помехи, вызванные отражением падающего поля от опор, само компенсируются.
Помимо помех, вызванных зеркальными отражения от стен БЭК и отражениями от опоры модели, установленной в БЭК, существует помеха, вызванная диффузным рассеянием поля (во всех направлениях). Исключить диффузную помеху и остатки нескомпенсированных помех можно путем измерения ЭПР модели два раза. При втором измерении модели необходимо изменить фазу сигнала модели относительно суммарной когерентной помехи на π с помощью изменения положения компенсационной опоры и опоры с моделью как единого целого по трем ортогональным координатам на λ/4 или на длину диагонали √3·λ/4 куба с размером ребра λ/4.
После чего, путем арифметического усреднения результатов двух измерений, суммарная когерентная помеха исключается.
Назначение и выполнение функциональных устройств
Передатчик 1 предназначен для генерирования СВЧ-сигналов (ГГц) и может быть выполнен на транзисторах со стабилизацией частоты и амплитуды сигнала.
Двойной тройник 2 предназначен для разделения излучаемых и принимаемых сигналов и выполнен в виде комбинации Т-образного соединения в плоскости Ε (вертикальной) и в плоскости Η (горизонтальной), его плечи в Ε и Η плоскости развязаны (Дж.К. Саусворт. «Принципы и применение волноводной передачи». М., Сов. радио, 1955, стр. 358).
Переменная комплексная согласованная нагрузка (КСН) 3 предназначена для компенсации отражений от входа антенны 5 и суммарной когерентной помехи, выполнена волноводной и имеет плавную регулировку амплитуды и фазы коэффициента отражения (Авт. св. СССР №452048, «Волноводная нагрузка», 1973).
Приемник 5 предназначен для измерения сигналов модели цели и может быть выполнен в виде амплифазометра (Авт. св. СССР №302810 на изобретение, 1969 г.).
Приемно-передающая антенна 5 может быть выполнена в виде волноводного рупора, с малым уровнем боковых лепестков - меньше минус 30 дБ (Патент РФ №2332759 на изобретение «Рупорный излучатель», 2006 г.).
Опора цели 6 может быть выполнена в виде прямого цилиндра из диэлектрика и установлена перед антенной 5 так, что ось ее симметрии пересекается с электрической осью антенны 5 (Авт. св. СССР №452048 на изобретение «Диэлектрическая опора модели», 1973 г.).
Компенсационная опора 7 выполняется тождественно опоре 6 модели, которую жестко и параллельно устанавливают рядом с опорой модели на расстояние больше диаметра со сдвигом вдоль электрической оси приемно-передающей антенны на нечетное число четвертей длины волны падающего поля, поэтому сигналы, отраженные от опор, находятся в противофазе и само компенсируются, чем и достигается устранение помехи, вызванной отражением поля от опоры модели. Обе опоры 6 и 7 жестко и параллельно закреплены в держателе опор подъемника 9.
3
Безэховая камера (БЭК) 8 предназначена для создания условий свободного пространства при измерении ЭПР моделей и экранирования СВЧ-излучений от внешней среды. БЭК может быть выполнена настольной с размерами: длина × ширина × высота = 1,5×1,0×1,0 м, ромбического или прямоугольного поперечного сечения и трапецеидального продольного, имеет окно в боковой стене, для установки модели на опору 6 в зону беэховости БЭК и окно в передней торцевой стене камеры, для установки антенны. Задняя плоская стена БЭК располагается под углом 45° к электрической оси антенны, что обеспечивает трехкратное ослабление в дБ падающего поля, отраженного от задней стены БЭК по сравнению с коэффициентом отражения РПМ. В качестве РПМ стен камеры может быть применен материал типа «Болото» с коэффициентом отражения меньше минус 20 дБ, при этом уровень помехи в БЭК не будет превышать минус 60 дБ. Наружные стены БЭК облицованы алюминиевой фольгой внахлест, что устраняет утечки СВЧ-излучения наружу.
Подъемник опор 9 предназначен для перемещения и поднятия опор как единого целого при втором измерении модели для исключения всех помех, вдоль длины √3·λ/4 диагонали куба с размером ребра λ/4, путем нажатия на рычаг по стрелке (фиг. 2,б).
Подъемник состоит из металлических деталей: П-образной скобы, плоского держателя опор и вилкообразного рычага с двумя Г-образными концами.
Скоба может быть выполнена: длиной полки 15λ, шириной 8λ и длиной концов скобы 6λ, с помощью концов скобы подъемник закрепляется под полом БЭК продольной осью под углом 45° (фиг. 2,а) к электрической оси антенны. На полке скобы с внутренней стороны выполнены два плоских клинообразных выступа шириной λ, высотой λ/8, на ширину полки, отступя от краев на λ/4. С боковых сторон посредине полки жестко закреплены шпильки, предназначенные для крепления вилкообразной рукоятки перемещения держателя опор.
Плоский держатель опор может быть выполнен длиной 13λ, шириной 8λ и толщиной λ/4 и расположен на полке скобы. Он имеет ответные клинообразные выступы высотой λ/8 со скосами, противоположными скосам выступам полки и заходящими на скосы выступов полки скобы, так что расстояние между полкой скобы и держателем равно высоте выступов λ/8. Держатель имеет возможность перемещаться относительно полки скобы вдоль ее на расстояние √2·λ4, после перемещения расстояние между полкой и держателем становится равным λ/4. Посредине держателя, с двух боковых сторон, жестко закреплены шпильки, предназначенные для установки в продолговатых отверстиях Г-образных концов вилкообразной рукоятки с возможностью перемещения шпилек в отверстиях.
Вилкообразный рычаг имеет два Г-образных конца, на которых выполнены по одному продолговатые сквозных отверстия, с возможностью перемещения в них шпилек на λ/4, а ниже их выполнены по одному, круглому отверстию.
Нажатием на свободный конец вилкообразного рычага держатель опор перемещается вдоль полки скобы на √2·λ/4 и поднимается на λ/4 по клинообразным выступам высотой λ/8 каждый.
2
Эталонный отражатель 10 предназначен для градуировки шкалы приемника в дБ, может быть выполнен в виде металлического шара, ЭПР которого равна πr, где r - радиус шара.
Соединения электрических элементов схемы
Выход передатчика 1 соединен с входом одного Η плеча волноводного тройника 2, выход которого соединен с входом антенны 5. Выход другого Η плеча волноводного тройника 2 соединен с входом-выходом комплексной согласованной нагрузки 3, выход Ε плеча волноводного тройника соединен с входом приемника 4.
Основание подъемника 9 опор устанавливают жестко под БЭК горизонтально под углом 45° к электрической оси антенны (фиг. 2,а). Путем перемещения подставки крепления опор, при помощи рукоятки, вдоль основания на расстояние √2·λ/4. При этом подставка с опорами поднимается по выступам основания и подставки на λ/4, что равносильно перемещению подставки по диагонали куба с размером ребра, равным √3·λ/4.
Измерение ЭПР модели
2
Включают генератор 1. Антенна излучает падающее поле в БЭК. Измерение ЭПР модели производят следующим образом (фиг. 1). В отсутствии цели, с помощью КСН 3 производят компенсацию сигнала, отраженного от входа антенны 5, и суммарной когерентной помехи, вызванной отражениями от РПМ стен БЭК, путем изменения амплитуды и фазы коэффициента отражения КСН 3. Отражения от опор 6 и 7 самокомпенсируются. После чего на опору 6 устанавливают эталонный отражатель 8, например, выполненный в виде металлического шара, ЭПР которого равна πr, где r - радиус шара, который должен быть больше длины волны, и калибруют шкалу приемника в значениях ЭПР. Затем на опору 6 устанавливают модель и отсчитывают значение ЭПР по шкале приемника. Перемещают две опоры, как единое целое, на длину диагонали куба с размерами ребра λ/4. Проводят второй отсчет значения ЭПР модели по шкале приемника.
Результаты двух измерений модели арифметически усредняют и получают истинное значение ЭПР модели.
Измеренное значение ЭПР модели пересчитывают в ЭПР реальной цели по формуле:
рц
м
2
σ=σ/М,
рц
где σ - ЭПР реальной цели;
м
σ - ЭПР модели;
M - масштаб модели.