НАВИГАЦИОННЫЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ ГРУППОВОЙ ОТРАЖАТЕЛЬ КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ
NAVIGATION RADIO-OPTICAL GROUP REFLECTOR OF CIRCULAR ACTION IN HORIZONTAL PLANE

Изобретение относится к навигации и может использоваться на внутренних водных путях в составе плавучих буев для обозначения фарватера или кромки судоходного канала одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн.
m
Известен групповой радиолокационный отражатель с круговой (всенаправленной) в горизонтальной плоскости диаграммой обратного рассеяния, состоящий из восьми трехгранных уголковых отражателей (УО) с равными треугольными металлическими или металлизированными взаимно перпендикулярными отражающими гранями [1, 2]. При этом фазовые центры рассеяния всех трехгранных УО, входящих в группу, совпадают и находятся в их вершинах, а плоскости раскрывов отдельных трехгранных УО образуют топовую фигуру в виде октаэдра [1]. Максимальная (ЭПР) σ основного лепестка диаграммы обратного рассеяния каждого из УО, входящих в группу, с треугольной формой граней одинаковых размеров в направлении электрической оси, проходящей через фазовый центр рассеяния перпендикулярно плоскости раскрыва определяется по формуле [1]
а
где  - размер ребра УО в [м],
λ - длина волны в [м].
m
А его ширина на уровне 0,5σ относительно электрической оси составляет величину в горизонтальной и вертикальной плоскостях [1]
Недостаток группового радиолокационного отражателя с треугольной формой граней одинаковых размеров заключается в ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся в том, что он работает только в радиолокационном диапазоне волн, выполняя функции пассивного отражателя электромагнитных волн, и не работает в оптическом диапазоне волн, так как не выполняет функции активной подачи светосигнального огня с белым, красным, зеленым, или желтым цветами свечения в навигационных целях.
Известен навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия со светоотражающими гранями (Патент РФ №2667325, МПК H01Q 15/18, приоритет от 04.08.2017.) [3]. Он работает одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн и содержит в своем составе группу из восьми трехгранных УО с взаимоперпендикулярными металлизированными или металлическими отражающими треугольными гранями одинаковых размеров, шесть из которых формируют в горизонтальной плоскости круговую диаграмму обратного рассеяния в радиолокационном диапазоне волн, шесть источников света, фотоавтомат управления сигнальным огнем и источник питания постоянного тока. Треугольные отражающие грани всех шести трехгранных УО, входящих в группу, с их внутренней стороны покрыты радиопрозрачным светоотражающим покрытием с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения. Шесть источников света выполнены в виде светоизлучающих полупроводниковых диодов с белым, красным, зеленым или желтыми цветами свечения сигнального огня соответствующих цвету радиооптического светоотражающего покрытия треугольных граней. Источники света установлены в соответствующие им вершины шести трехгранных УО, являющихся их фокусом в оптическом диапазоне волн и фазовым центром рассеяния УО в радиолокационном диапазоне волн и управляются фотоавтоматом управления сигнальным огнем. Угол излучения каждого из шести источников света 2α относительно оптической оси, совпадающей с геометрической осью симметрии трехгранного УО в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет величину 2α≥90° и формируют круговую диаграмму светорассеяния в горизонтальной плоскости.
Недостатки радиооптического группового отражателя кругового действия со светоотражающими гранями заключается в следующем. Во-первых, для формирования в оптическом диапазоне волн круговой диаграммы светорассеяния требуется использовать шесть источников света с направленными в горизонтальной и вертикальной плоскостях характеристиками излучения. Во-вторых, для подачи светосигнального огня с разными цветами свечения, необходимо соответственно менять светоотражающее покрытие отражающих треугольных граней.
Известен навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия с покрытыми алюминиевой фольгой гранями (Патент РФ №2688959, МПК H01Q 15/18, приоритет от 17.09.2018.) [4], работающий также одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн. Он представляет собой групповой радиолокационный отражатель, содержащий восемь трехгранных уголковых отражателей с равными треугольными металлизированными или металлическими гранями. Шесть уголковых отражателей расположены вокруг вертикальной оси, проходящей через их совпадающие вершины, и формируют круговую в горизонтальной плоскости диаграмму обратного рассеяния в радиолокационном диапазоне волн. При этом отражающие треугольные грани всех шести трехгранных уголковых отражателей покрыты не радиопрозрачным светоотражающим покрытием в виде алюминиевой фольги. В их вершины установлены шесть источников света, выполненные в виде светоизлучающих диодов с направленными в вертикальной и горизонтальной плоскостях с углами излучения 2α≥90°, формирующих круговую диаграмму светорассеяния в оптическом диапазоне волн. Источники света питаются от источника питания постоянного тока и управляются фотоавтоматом управления сигнальным огнем.
Основной недостаток навигационного радиооптического группового отражателя кругового действия с покрытыми алюминиевой фольгой гранями заключается в том, что при формировании всенаправленных в горизонтальной плоскости светосигнальных огней необходимо использовать шесть источников света с направленными характеристиками излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом дополнительно необходимо покрывать отражающие треугольные грани алюминиевой фольгой в каждом из шести трехгранных УО, входящих в группу.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному навигационному радиооптическому групповому отражателю кругового действия в горизонтальной плоскости, является навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия (патент РФ №2617799, МПК H01Q 15/18, В63В 22/16, G01S 1/70, приоритет от 29.10.2015) [5].
m
Этот навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия содержит в своем составе группу из восьми трехгранных уголковых радиолокационных отражателей, с взаимоперпендикулярными металлическими или металлизированными треугольными отражающими гранями одинаковых размеров, шесть из которых формируют круговую (всенаправленную) диаграмму обратного рассеяния в горизонтальной плоскости, шесть источников света, фотоавтомат управления сигнальным огнем и источник питания постоянного тока. При этом фазовые центры рассеяния всех трехгранных УО, входящих в группу, совпадают и находятся в их вершинах, а плоскости раскрывов отдельных трехгранных УО образуют топовую фигуру в виде октаэдра. Причем для получения равномерной в горизонтальной плоскости диаграммы обратного рассеяния групповой восьмиуголковый отражатель необходимо располагать так, чтобы плоскости раскрывов двух противоположно направленных вверх и вниз трехгранных УО, входящих в группу, совпадали с горизонтальной плоскостью и были перпендикулярны вертикальной оси проходящей через их фазовые центры рассеяния. А шесть других трехгранных УО, входящих в группу, соответственно располагаются вокруг вертикальной оси, проходящей также через их фазовые центры рассеяния, которые и формируют равномерную всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму обратного рассеяния в радиолокационном диапазоне волн при облучении их судовой РЛС с любых направлений. При этом плоскости раскрывов каждого из шести трехгранных УО поочередно смещены относительно вертикальной оси в ту или другую сторону на угол определяемый числом отражателей в группе. Соответственно их электрические оси, или направления в которых ЭПР каждого из шести отражателей максимальна σ также смещены относительно вертикальной оси, и совпадают с геометрическими осями, проходящими через их вершины перпендикулярно плоскости раскрыва соответствующего отражателя.
m
m
m
Шесть источников света выполнены в виде светоизлучающих полупроводниковых диодов и установлены в соответствующие им вершины шести трехгранных УО, являющиеся их фокусом в оптическом диапазоне волн и фазовым центром рассеяния УО в радиолокационном диапазоне волн. Причем светоизлучающие полупроводниковые диоды включены между собой параллельно и их катодные выводы подключены непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока, а их анодные выводы через фотоавтомат управления сигнальным огнем подключены к положительному полюсу источника питания постоянного тока. При этом светоизлучающие диоды расположены на оптических осях, совпадающих с геометрическими осями симметрии трехгранных УО, в направлении которых сила света в горизонтальной и вертикальной плоскостях максимальна I, а также совпадающих с их электрическими осями в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн. Кроме того, угол излучения каждого из шести источников света 2α относительно оптической оси трехгранного УО в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет величину 2α≥90°. При этом в оптическом диапазоне волн в направлении оптических осей каждого из шести трехгранных УО в пространство излучается в этих плоскостях конический световой поток с угловой шириной 42° на уровне 0.5I, совпадающий с шириной основного лепестка диаграммы обратного рассеяния в горизонтальной и вертикальной плоскостях на уровне 0.5σ в радиолокационном диапазоне волн. Причем цвет излучаемого полупроводниковыми диодами светового потока красный, зеленый, белый или желтый определяется сложившейся навигационной обстановкой на водных путях.
Навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия работает одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн следующим образом.
m
В радиолокационном диапазоне волн при падении электромагнитной волны, излучаемой судовой РЛС, на любой из шести трехгранных УО, формирующих круговую диаграмму обратного рассеяния в горизонтальной плоскости, после трехкратного отражения формируется волна, распространяющаяся в направлении обратном направлению падения. При этом трехкратное отражение имеет место, как известно в [1, 2], в области главного лепестка диаграммы рассеяния и максимум ЭПР σ соответствует
m
случаю, когда направление падающей электромагнитной волны совпадает с электрической осью или геометрической осью симметрии отражателя, проходящей через вершину перпендикулярно плоскости его раскрыва - главной осью обратного рассеяния. При этом ЭПР любого трехгранного УО с треугольными отражающими гранями, входящего в группу из шести отражателей в максимуме основного лепестка диаграммы обратного рассеяния при условии, что отражающие треугольные грани достаточно велики по сравнению с длиной волны и отражающие грани взаимоперпендикулярны, определяется соотношением (1). А его ширина на уровне 0,5 σ относительно электрической оси, проходящей через вершину трехгранного УО перпендикулярно плоскости его раскрыва, в горизонтальной и вертикальной плоскостях определяется соотношением (2).
В оптическом диапазоне волн навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия работает следующим образом.
m
m
m
m
Так как катодные выводы шести светоизлучающих полупроводниковых диодов подключены параллельно непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока, то при подключении их анодных выводов через фотоавтомат управления сигнальным огнем к положительному полюсу источника питания постоянного тока, светоизлучающие полупроводниковые диоды, установленные в вершинах соответствующим им трехгранный УО и являющиеся их фокусом в оптическом диапазоне волн, излучают вдоль соответствующих им оптических осей в горизонтальной, и вертикальной плоскостях конические световые пучки с угловой шириной 2α≥90°. Затем, попадая на взаимно перпендикулярные треугольные грани в каждом из шести трехгранных УО после трехкратного отражения концентрируются ими на выходах в световые пучки большей силы света I с угловой шириной на уровне 0,5 I 42° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. При этом оптические оси в каждом из шести радиооптических трехгранных УО, входящих в группу и формирующих круговую, в горизонтальной плоскости, диаграмму светорассеяния совпадают с их геометрическими и электрическими осями. Поэтому угловая ширина светового потока излучаемого в каждом из шести радиооптических отражателей на уровне 0.5 I в горизонтальной и вертикальной плоскостях в оптическом диапазоне волн совпадает с угловой шириной главного лепестка диаграммы обратного рассеяния на уровне 0.5 I в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн и составляют величину 42°, при условии, что треугольные грани взаимно перпендикулярны и происходит трехкратное отражение от них. Цвет излучения сигнального огня белый, красный, желтый или зеленый светоизлучающих диодов определяется сложившейся навигационной обстановкой на водных путях.
Управление работой светоизлучающими диодами осуществляется фотоавтоматом управления сигнальным огнем, который обеспечивает постоянный или проблесковый режим горения светоизлучающих диодов с автоматическим включением и выключением в зависимости от освещенности местности. Фотоавтомат управления сигнальным выполнен по классической схеме серии ФАУСП [6, 7] и в его состав входят: фотодатчик - выключатель, выполненный в виде фоторезистора, и являющийся светочувствительной частью фотоавтомата, который вырабатывает сигнал на включение светоизлучающих диодов при освещенности 20-100 лк и не выключение его если освещенность превышает указанные значения; стабилизатор напряжения, который поддерживает на светоизлучающих диодах необходимое номинальное напряжение; усилитель, непосредственно включающий или выключающий светоизлучающие диоды по сигналам фотодатчика; проблескатор, выполненный в виде мультивибратора, сигналы которого подаются на вход усилителя и определяют работу светоизлучающих диодов в проблесковом или постоянном режимах горения светосигнального огня.
Недостаток навигационного радиооптического группового отражателя кругового действия заключается в том, что в оптическом диапазоне волн для формирования всенаправленных в горизонтальной плоскости светосигнальных огней необходимо в каждом из шести трехгранных УО, входящих в группу, установить источник света с направленными характеристиками излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях и, таким образом, требуется использовать шесть источников света.
На фиг. 1 общий вид навигационного радиооптического группового отражателя кругового действия в горизонтальной плоскости. Вид спереди, где обозначено: 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий радиооптические трехгранные УО, с равными треугольными гранями, входящие в группу из шести радиооптических отражателей, формирующих круговую в горизонтальной плоскости диаграмму рассеяния и расположенные вокруг вертикальной оси 4, проходящей через их совпадающие вершины перпендикулярно горизонтальной плоскости; 5, 6, 7 - треугольные отражающие грани соответственно первого, второго и третьего радиооптических УО; 8 - всенаправленный в горизонтальной плоскости источник света, расположенный в центре совпадения вершин радиооптического группового УО, который одновременно является его фокусом, в оптическом диапазоне волн и фазовым центром рассеяния в радиолокационном диапазоне волн; 9 - плоскость раскрыва третьего радиооптического УО; 10 - геометрическая ось симметрии третьего радиооптического УО, проходящая через совпадающие вершины перпендикулярно плоскости раскрыва 9 и является его оптической осью в оптическом диапазоне волн и его электрической осью в радиолокационном диапазоне волн (геометрические оси первого и второго радиооптических УО не показаны); 11 - угол излучения 2α в вертикальной плоскости источника света 8.
На фиг. 2 представлен навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия в горизонтальной плоскости. Вид сзади. Где обозначено: 12, 13, 14 -соответственно четвертый, пятый и шестой радиооптические УО с равными треугольными гранями, входящие в группу из шести радиооптических УО, формирующих круговую в горизонтальной плоскости диаграмму рассеяния и расположенные вокруг вертикальной оси 4, проходящей через их совпадающие вершины перпендикулярно горизонтальной плоскости; 15, 16, 17 - треугольные отражающие грани соответственно четвертого, пятого и шестого радиооптических УО, 18 - всенаправленный в горизонтальной плоскости источник света 8; 19 - плоскость раскрыва шестого радиооптического УО; 20 - геометрическая ось симметрии шестого радиооптического УО, проходящая через совпадающие вершины перпендикулярно плоскости раскрыва 19 и является его оптической осью в оптическом диапазоне волн и его электрической осью в радиолокационном диапазоне волн (геометрические оси четвертого и пятого радиооптических УО не показаны) 21 - угол излучения 2а в вертикальной плоскости источника света 8.
Седьмой и восьмой трехгранные УО, плоскости раскрывов которых совпадают с горизонтальной плоскостью и не формируют диаграмму обратного рассеяния в этой плоскости на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны.
На фиг. 3 представлена обобщенная структурная электрическая схема автоматического устройства управления источником света. В состав устройства входят источник питания постоянного тока 22, фотоавтомат управления сигнальным огнем 23 и источник света 24, выполненный в виде светоизлучающего полупроводникового диода. При этом катодный вывод светоизлучающего диода 24 подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 22, а его анодный вывод через фотоавтомат управления 23 подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока 22.
На фиг. 4 представлена обобщенная функциональная схема фотоавтомата управления сигнальным огнем 23 серии ФАУСП, выполненная по классической схеме [6, 7] и включает в себя фотодатчик 25, стабилизатор напряжения 26, проблескатор 27 и усилитель 28.
Навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия в горизонтальной плоскости одновременно работает в радиолокационном и оптическом диапазонах длин волн следующим образом.
m
m
В радиолокационном диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия, общий вид которого спереди и сзади представлен соответственно на фиг. 1 и фиг. 2, работает как обыкновенный радиолокационный групповой восьмиуголковый отражатель ориентированный относительно горизонтальной плоскости так, что только шесть из них расположены вокруг вертикальной оси, проходящей через их совпадающие вершины перпендикулярно горизонтальной плоскости и формируют круговую в этой плоскости диаграмму обратного рассеяния. При этом каждый из шести радиооптических УО в радиолокационном диапазоне представляет собой радиолокационный трехгранный УО с треугольными плоскими взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными отражающими гранями одинаковых размеров и форме, внутренние поверхности которых образуют систему из трех зеркал, при условии, что они достаточно велики по сравнению с длиной волны и треугольные грани взаимно перпендикулярны. Поэтому при падении на треугольные грани одного из шести радиооптических УО электромагнитной волны, после трехкратного отражения формируется электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, обратном направлению падения. Это свойство обратного отражения у каждого из шести радиооптических УО, входящих в группу, так же как и у радиолокационных трехгранных УО сохраняется в области главного лепестка диаграммы рассеяния, где имеет место трехкратное отражение от треугольных граней. При этом максимум ЭПР σ у отдельных радиооптических УО, входящих в группу, так же как и у радиолокационных трехгранных УО соответствуют случаю, когда направление падающей электромагнитной волны совпадает с электрической осью или геометрической осью симметрии соответствующего отражателя, входящего в группу и определяется соотношением (1). А ширина диаграммы обратного рассеяния на уровне 0,5 σ у каждого из шести радиооптических отражателей определяется в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно соотношением (2). При этом плоскости раскрывов шести радиооптических УО, формирующих круговую диаграмму рассеяния, так же как и у прототипа - отклонены в ту или другую сторону от вертикали на угол определяемый числом отражателей в группе и тем самым обеспечивают более устойчивую работу в условиях качки буя, на котором он установлен.
В оптическом диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия в горизонтальной плоскости работает следующим образом.
m
Так как катодный вывод светоизлучающего полупроводникового диода Д24 подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 22 (см. фиг. 3), то при подключении его анодного вывода через фотоавтомат управления сигнальным огнем 23 к положительному полюсу источника питания постоянного тока 22, светоизлучающий полупроводниковый диод с всенаправленными в горизонтальной плоскости характеристиками излучения и установленный в центре совпадения вершин радиолокационных трехгранных УО 1, 2, 3, а также 12, 13, 14 (см. фиг. 1 и фиг. 2) излучает световые пучки с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня в вертикальной плоскости с угловой шириной 2α≥90° и в горизонтальной - 360°. После чего, излучаемые световые потоки, попадая на взаимно перпендикулярные треугольные грани в каждом из шести трехгранных УО после трехкратного отражения в пространство излучаются концентрированные световые потоки с угловой шириной на уровне 0.5 I в 42° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
Управление работой светоизлучающим полупроводниковым диодом Д24 осуществляется фотоавтоматом управления сигнальным огнем 23 с автоматическим включением и выключением в зависимости от освещенности места установки радиооптического группового отражателя. Фотоавтомат управления сигнальным огнем 23 серии ФАУСП выполнен по классической схеме [6, 7] и его обобщенная функциональная схема представлена на фиг. 4. В соответствии с выполняемыми функциями, в состав фотоавтомата входят то или иное сочетание следующих функциональных блоков [6, 7]: фотодатчик-выключатель 25, выполненный, как правило, в виде фоторезистора и являющийся светочувствительной частью фотоавтомата, который вырабатывает сигнал на включение светоизлучающего полупроводникового диода Д24 при освещенности ниже 20-100 лк и на выключение их, если освещенность превышает указанные значения; стабилизатор напряжения 26, который поддерживает на светоизлучающем диоде Д24 номинальное напряжение 2,6 В или 5,2 В; проблескатор 27, выполненный в виде мультивибратора, вырабатывающего сигналы обеспечивающие работу светоизлучающего диода Д24 в проблесковом или постоянном режимах горения и усилитель 28 непосредственно включающий или выключающий светоизлучающий диод Д24 по сигналам фотодатчика 25 или проблескатора 27, управляющих режимами работы сигнальных огней. Причем цвет сигнального огня красный, зеленый, желтый или белый светоизлучающего полупроводникового диода Д24 определяется сложившейся навигационной обстановкой на водных путях.
В трехсантиметровом радиолокационном диапазоне волн, в котором работают все судовые РЛС, заявляемый навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия в горизонтальной плоскости может быть выполнен на основе восьми трехгранных УО с треугольными равными гранями изготовленными, например, из фольгированного стеклотекстолита или плоских алюминиевых листов обработанных антикоррозийным покрытием.
Для обеспечения работы заявляемого навигационного радиооптического группового отражателя кругового действия в горизонтальной плоскости в оптическом диапазоне волн может быть использован источник света, выполненный в виде светоизлучающей полупроводниковой лампы типа ЛПР-01 с климатическим исполнением УХЛ 2.1 по ГОСТ 15150 с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня с углом излучения 2α=120° в вертикальной плоскости и 360° в горизонтальной плоскости. В качестве источника питания постоянного тока с номинальным напряжением 2,6 В и емкостью 150 а/ч может быть использована сухозаряженная батарея типа «Лиман» ТУ 3483-019-04707044-99. В качестве фотоавтомата управления сигнальным огнем может быть использован фотоавтомат серии ФАУСП-ЗМ типа НП-2 ТУ21277187.
По сравнению с навигационным радиооптическим групповым отражателем кругового действия заявляемый радиооптический групповой отражатель обеспечивает подачу активных всенаправленных в горизонтальной плоскости светосигнальных огней с любым цветом свечения с использованием только одного источника света с всенаправленными характеристиками излучения в горизонтальной плоскости.
Использованные источники информации
1. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Советское радио» - 1975 - 248 с.
2. Канарейкий Д.Б., Потехин И.Ф. Морская поляриметрия. - Л.: «Судостроение», 1968 328 с.
3. Блинковский Н.К., Гулько В.Л., Мещеряков А.А. Навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия со светоотражающими гранями. - Патент РФ №2667325, МПК H01Q 15/18, приоритет от 04.08.2017.
4. Блинковский Н.К., Гулько В.Л., Мещеряков А.А., Сметанкин А.Н. Навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия с покрытыми алюминиевой фольгой гранями. - Патент РФ №2688959, МПК H01Q 15/18, приоритет от 17.09.2018.
5. Блинковский Н.К., Гулько В.Л., Крутиков М.В., Мещеряков А.А. Навигационный радиооптический групповой отражатель кругового действия. - Патент РФ №2617799, МПК H01Q 15/18, В63В 22/16, G01S 1/70, приоритет от 29.10.2015.
6. Шмерлин И.Е. Монтер судоходной обстановки. - М: «Транспорт», 1972 - 176 с.
7. Шмерлин И.Е. Монтер судоходной обстановки. - М: «Транспорт», 1977 - 173 с.