СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ АМПЛИТУДНОГО И ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПОЛЯ
METHOD OF CERTIFYING FIELD AMPLITUDE AND PHASE DISTRIBUTION

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для аттестации амплитудного и фазового распределений электромагнитного поля (далее поля) в измерительной зоне установок для измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей.
Известен способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля с помощью зонда, выполненного в виде рупорной антенны (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.102, рис.3.34). Зонд устанавливают с возможностью перемещения в измерительной зоне установки в трех ортогональных направлениях, и через кабель подключают к измерительной аппаратуре - амплифазографу. Этот способ аттестации может быть реализован в закрытых помещениях - безэховых камерах (БЭК), но он не обеспечивает аттестацию амплитудного и фазового распределения поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли. Кроме того, для аттестации фазового распределения поля этим способом требуется фазометрическая аппаратура, которая в установках для измерения ЭПР не предусмотрена.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля с помощью пассивного отражающего зонда - металлического шара и установки, содержащей аппаратуру для измерения амплитуды и фазы отраженного поля (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.106). Известный способ состоит в перемещении шара в плоскости, параллельной фазовому фронту падающей волны, с одновременным измерением амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне установки.
Этот способ позволяет аттестовать поле в измерительной зоне установок, расположенных в БЭК, но не пригоден для аттестации поля в измерительной зоне установок, расположенных на открытых площадках, когда измерительная зона находится высоко над поверхностью земли. Кроме того, для аттестации фазового распределения поля этим способом требуется фазометрическая аппаратура, которая в установках для измерения ЭПР не предусмотрена.
Технический результат изобретения - возможность измерения амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли, и уменьшение стоимости измерительной аппаратуры.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема крепления гантельного отражателя в измерительной зоне установки.
На чертеже введены обозначения: 1 - измерительная зона установки; 2 - гантельный отражатель; 3 - стропы подвески гантельного отражателя; 4 - стропы оттяжки; 5 - несущий трос системы подвески объектов измерения; 6 - поворотное устройство вращения объектов измерения; 7 - мачты системы подвески объектов измерения.
Измерительная зона 1 характеризуется диаметром, высотой ее центра над поверхностью земли, которая должна быть больше половины диаметра, и распределениями амплитуды и фазы падающего поля. Гантельный отражатель характеризуется длиной, которая должна быть не меньше половины диаметра измерительной зоны, и радиусом металлических шаров, которые должны быть равны.
На фиг.2 приведены геометрические построения, необходимые для составления формул для расчета распределения фазы поля и определения распределения амплитуды поля в измерительной зоне установки.
x
y
На чертеже введены обозначения: х, y - абсцисса и ордината декартовой системы координат; h - длина гантельного отражателя 2; h и h - проекции длины гантельного отражателя на соответствующие оси системы координат при его повороте в горизонтальной плоскости на угол α, который отсчитывается от оси ординат.
На фиг.3 приведены четверть (0-90°) измеренной и нормированной на максимальное значение диаграммы ЭПР гантельного отражателя (сплошная ломаная линия), распределения фазы (сплошная плавная линия), полученное расчетным путем, и амплитуды (пунктирная линия) поля в измерительной зоне установки.
На фиг.4 приведена измерительная трасса установки 8 для измерения ЭПР объектов.
Теоретические предпосылки изобретения
max
Известно, что основной причиной фазовых неоднородностей поля в дальней зоне излучения антенны является сферичность волнового фронта. Оценка максимальной неоднородности - отставания фазы Δφ в отраженном поле производится по формуле (I):
R - расстояние (дальность) от антенны до центра измерительной зоны 1;
L - диаметр измерительной зоны 1;
λ - рабочая длина волны антенны измерительной установки 8. Докажем, что аттестацию распределения фазы и амплитуды поля в измерительной зоне 1 установки 8 можно произвести, измеряя только диаграмму ЭПР зонда, выполненного в виде гантельного отражателя 2, состоящего из двух жестко соединенных на расстоянии не менее половины диаметра измерительной зоны металлических шаров одинакового радиуса (фиг.1 и 4). Для чего измеряют диаграмму ЭПР гантельного отражателя в аттестуемой измерительной зоне 1 установки 8 и отсчитывают углы, соответствующие положениям нулей диаграммы ЭПР для определения фазового распределения поля, и проводят плавную линию, огибающую максимумы лепестков диаграммы ЭПР, которая является амплитудным распределением поля в измерительной зоне 1. Кроме того, определяют угловое положение нулей теоретической диаграммы гантельного отражателя 2 для плоского поля. По разности значений угловых положений соответствующих нулей двух диаграмм ЭПР рассчитывают фазовое распределение поля в измерительной зоне 1.
При измерении диаграммы ЭПР гантельного отражателя 2 один шар подвешивают в центре измерительной зоны в горизонтальной плоскости соосно оси поворотного устройства 6, а второй - на границе измерительной зоны (фиг.1).
Для расчета и определения распределений поля, используя построения на фиг.2, запишем формулы:
y
x
α
h=h·cosα, h=h·sinα, φ=4πh·sinα/λ,
где h - длина гантельного отражателя (расстояние между центрами шаров);
α - угол поворота оси гантельного отражателя в горизонтальной плоскости, отсчитанный от оси у;
y
x
h и h - проекции длины гантельного отражателя на оси у и х при его повороте на угол α;
α
φ - фаза вторичного излучения второго шара гантельного отражателя по отношению к фазе вторичного излучения первого шара;
λ - рабочая длина волны антенны измерительной установки 8.
α
Теоретическая диаграмма ЭПР гантельного отражателя в плоском падающем поле σ(φ) описывается известной формулой,
1
2
где σ и σ - ЭПР первого и второго шара.
1
2
При равенстве радиусов шаров их ЭПР равны σ=σ=σ. В этом случае формула (2) принимает вид:
α
Из формулы (3) следует, что нули диаграммы ЭПР гантельного отражателя σ(φ)=0, измеренной в плоском поле, будут наблюдаться при условии
n
n
cos(4πh·sinα/λ)]=-1. Это условие выполняется при нечетном значении π, когда соблюдается равенство 4πh·sinα/λ=(2n-1)·π, где n=1, 2, 3 … Из последнего равенства следует, что угловое положение n-го нуля диаграммы ЭПР в плоском поле в функции азимута оси гантельного отражателя рассчитывается по формуле:
n
Соответствующее ему значение проекции длины гантельного отражателя y на фазовый фронт и ось у будет описываться формулой:
max
n
max
mах
Максимально возможное количество нулей n в четверти (0-90°) круговой диаграммы ЭПР гантели определяют из условия, что у=0 (ось гантельного отражателя совпадает с электрической осью антенны). В этом случае h=(2n-1)·λ/4, а n=2h/λ (округлено до целого числа).
Сравнивая положения нулей диаграммы ЭПР гантели в плоском поле, полученной расчетным путем, с положением нулей в измеренной диаграмме ЭПР, определяют фазовую неоднородность поля в аттестуемой измерительной зоне.
Для чего запишем диаграмму ЭПР гантели в сферическом волновом фронте:
где Δφ - искомое отставание фазы в сферическом волновом фронте;
Δα - изменение положения нуля в диаграмме ЭПР, обусловленное отставанием фазы Δφ поля в измерительной зоне по отношению к фазе в ее центре.
Значения ЭПР гантельного отражателя, измеренного в сферическом волновом фронте, будут равны нулю, когда соблюдается равенство:
x
n
xn
соs[(4πh·sin(α+Δα)/λ,+Δφ]=-1. Это равенство соблюдается при нечетном значении, когда 4πh·sin(α+Δα)/λ+Δφ=(2n-1)·π, где n=1, 2, 3 …. Преобразуем последнее равенство к виду:
Запишем формулу синуса суммы двух углов в развернутом виде:
n
n
n
При соблюдении неравенств Δα<6° и h/λ<15, заменим синус аргументом Δα, а косинус единицей. В этом приближении формула для синуса суммы двух углов будет иметь вид: sin(α+Δα)=sinα+cosα·Δα. Подставим значение синуса суммы двух углов в формулу (7) и преобразуем ее к виду:
n
n
n
Заменим sinα и cosα их значениями из формулы (4). Получим формулу для определения отставание фазы в сферическом волновом фронте для n-го нуля Δφ измеренной диаграммы ЭПР гантели по отношению к синфазному фронту:
n
Таким образом, по отсчитанной разности угловых положений нулей Δα измеренной и теоретической диаграмм ЭПР гантельного отражателя по формуле (9) рассчитывают отставание фазы в сферическом волновом фронте волны, при необходимости, для каждого нуля измеренной диаграммы ЭПР гантели (фиг.3).
Описание способа по изобретению
Способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне аттестуемой установки основан на измерении диаграммы ЭПР гантельного отражателя, выполненного из двух жестко соединенных металлических шаров одного радиуса. Гантельный отражатель в аттестуемой измерительной зоне размещают горизонтально так, чтобы центр одного шара находился на оси поворотного устройства установки, а второй - на границе измерительной зоны (фиг.1). С помощью поворотного устройство 6 установки 8 вращают гантельный отражатель и одновременно измеряют и регистрируют его диаграмму ЭПР. По формуле (4) рассчитывают угловое положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в плоском поле:
n
Затем по измеренной диаграмме ЭПР гантельного отражателя в сферическом фазовом фронте поля отсчитывают угловые положения ее нулей. Определяют угловое смещение Δα n-го нуля измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя по отношению к n-му нулю рассчитанной диаграммы ЭПР в плоском поле.
n
По формуле (9) рассчитывают значение отставания фазы Δα поля в измерительной зоне напротив n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя:
.
n
Для определения фазового распределения поля в измерительной зоне рассчитанные значения отставания фазы Δφ в волновом фронте откладывают на графике зависимости фазы поля от удаления от центра измерительной зоны и соединяют плавной линией.
Положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в фазовом фронте поля на оси у определяют по формуле (5):
Амплитудное распределение в измерительной зоне характеризуют огибающей линией, проведенной через максимумы лепестков измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя, значения которой нормируют на максимальное значение амплитуды, когда ось гантельного отражателя совпадет с электрической осью антенны установки (α=90°, фиг.3, пунктирная линия).
Реализация способа
Способ реализован с помощью гантельного отражателя 2 из двух металлических шаров радиусом 8,5 см. Шары соединены мало отражающим стержнем, изготовленным из пенопласта ПС-1, диаметром кратным половине длины волны в материале стержня. Длина гантельного отражателя 100 см. Рабочая длина волны антенны установки 8 равна 10 см. Диаметр измерительной зоны 1 равен 200 см. Высота центра измерительной зоны над поверхностью земли - 10 м. Мачты 7 стальные - высотой 30 м.
В качестве установки для измерения ЭПР применена импульсная установка, содержащая: генератор импульсов и временной развертки, усилитель пусковых импульсов, модулятор, магнетрон, передающую и приемную антенны, волноводный аттенюатор, привод аттенюатора, приемник, стробируемый усилитель, сервоусилитель, серводвигатель пера аттенюатора, привод пера, самописец, осциллограф, поворотное устройство, угломерное устройство и пульт управления (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.167, рис.5.14).
Технический результат изобретения достигнут, доказана возможность измерения амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли, и уменьшение стоимости измерительной аппаратуры, так как способ позволяет проводить аттестацию фазового распределения поля без фазометрической аппаратуры.