КОЛЛИМАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЮСТИРОВКИ АНТЕНН БОРТОВЫХ РЛС БОЛЬШОГО РАЗМЕРА В МАЛОРАЗМЕРНЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
COLLIMATOR DEVICE FOR ELECTRIC ALIGNMENT OF ON-BOARD RADIO-LOCATING STATION ANTENNAS OF BIG SIZE IN LOW-SIZED ROOMS

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для электрической юстировки антенн бортовых, например самолетных, РЛС в малоразмерных помещениях.
Известны коллиматорные устройства для электрической юстировки антенны бортовой РЛС перехвата и прицеливания непосредственно на самолете - патенты № 2133477 и № 2179321. Применение в этих устройствах коллиматорного зеркала, расположенного в ближней зоне антенны БРЛС, имитирующего бесконечно-удаленную цель, позволяет:
- уменьшить габариты рабочего места (полигона) практически до размеров самолета;
- значительно упростить операцию юстировки за счет устранения трудоемких нивелировочных работ;
- полностью устранить влияние земной поверхности на юстировочные параметры, так как в ближней зоне антенны луч практически не расширяется.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, патент № 2179321 (наш прототип), в котором ориентирование коллиматорного зеркала, т.е. привязка его к оси самолета, производится с помощью лазерных визиров, причем это достигается не совмещением осей коллиматора и самолета, а путем установки этих осей параллельно друг другу, что существенно упрощает операцию юстировки.
Несмотря на указанные преимущества существующих устройств, все они имеют недостаток, наиболее выраженный при юстировке антенн большого диаметра, а именно: трудности в осуществлении ориентации коллиматора относительно оси самолета из-за больших габаритов и веса коллиматорного зеркала (диаметр коллиматора больше диаметра антенны РЛС как минимум в 2 раза). Это обстоятельство требует оборудования специального поворотного устройства-позиционера», стоимость которого достаточно высока.
С целью удешевления устройства и упрощения операции юстировки антенн большого диаметра предлагается коллиматорное устройство, позволяющее исключить операцию ориентирования всей конструкции устройства, заменив ее операцией ориентирования (смещения) облучателя коллиматора относительно фокуса параболоида коллиматорого зеркала.
Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для электрической юстировки антенны бортовой (например, самолетной) РЛС, содержащее юстировочный полигон, бортовую РЛС, антенну бортовой РЛС, расположенную в носовой части самолета, лазерный визир, жестко связанный с антенной БРЛС, ось которого параллельна оси антенны и строительной оси самолета, юстировочную мишень с перекрестием, параболический коллиматор с излучателем, установленный в ближней зоне антенны БРЛС, имитатор цели, выход которого соединен со входом облучателя коллиматора, при этом коллиматор электрически связан с антенной БРЛС, дополнительно введен механизм перемещения облучателя коллиматора, юстировочная мишень с перекрестием выполнена радиопрозрачной и оптически полупрозрачной (например, из органического стекла) и расположена так, что ее плоскость перпендикулярна оси параболоида коллиматора, а центральное перекрестие совпадает с фокусом коллиматора, часть полотна коллиматора, обращенная к лазерному визиру, выполнена зеркально отражающей, при этом самолет с бортовой РЛС ориентирован относительно коллиматора так, чтобы блик на юстировочной мишени от луча лазера, отраженного от зеркальной поверхности коллиматора, находился внутри круга диаметром:
где Р - параметр параболического зеркала коллиматора = 2F;
F - фокусное расстояние коллиматора;
0
ρ - радиус раскрыва зеркала коллиматора;
λ - длина волны,
а облучатель коллиматора с помощью механизма перемещения облучателя ориентирован так, чтобы центр раскрыва облучателя совпадал с упомянутым бликом на юстировочной мишени.
Приведем некоторые теоретические выкладки.
Известно, что смещение облучателя параболической антенны в направлении, перпендикулярном ее оси, приводит к смещению диаграммы направленности антенны относительно нормального направления, соответствующего положению облучателя в фокусе параболоида.
При этом величина смещения облучателя d и угол φ смещения луча связаны соотношением
где F - фокусное расстояние параболоида.
См. Справочник по основам радиолокационной техники. /Под редакцией В.В.Дружинина, Москва, 1967 г., стр.163.
При сравнительно небольших смещениях d угол φ мал, формула (1) принимает вид
и фаза в раскрыве антенны имеет линейную зависимость от величины смещения d, что не искажает формы диаграммы направленности антенны и приводит лишь к смещению главного максимума.
Максимальный угол отклонения главного максимума, который может быть достигнут без заметных искажений диаграммы направленности, зависит от длины волны и параметров антенны:
при этом максимальное смещение облучателя из фокуса будет
0
где ρ - радиус раскрыва параболической антенны,
р - параметр параболоида, равный 2F.
См. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. Сов. Радио, 1957 г., стр.409-410.
max
Из (4) видно, что d сильно зависит от F, поэтому для электрической юстировки антенн большого диаметра целесообразно применять длиннофокусные коллиматоры. Наиболее часто в качестве коллиматоров применяют параболические антенны, усеченные снизу. Такие коллиматоры позволяют значительно снизить теневое влияние облучателя и реакцию зеркала на облучатель за счет расположения облучателя вне зоны наиболее интенсивного поля зеркала.
max
max
Пример расчета d и φ:
рлс
Имеется БРЛС с диаметром антенны Д=100 см и длиной волны λ=4 см.
В качестве коллиматора выбираем параболическую СВЧ-антенну с параметрами
0
к
ρ= 150 см (т.е. Д=300 см)
F = 250 см
р = 500 см
Согласно (3) и(4)
Для проведения операции электрической юстировки необходимо сориентировать самолет и коллиматор так, чтобы их оси были параллельны друг другу. Очевидно, что если луч лазерного визира, закрепленного на антенне РЛС, параллельно ее оси (и, следовательно, оси самолета) направить в сторону коллиматора, то при параллельности осей самолета и коллиматора луч лазерного визира, отраженный от зеркально-отражающего участка коллиматора, образует на юстировочной мишени светлый блик, совпадающий с ее центром (т.е. с фокусом параболоида).
Однако выполнить операцию совмещения блика с центром мишени путем ориентации всей тяжеловесной конструкции коллиматора без специального поворотного устройства практически невозможно.
0
max
0
Суть предложенного устройства заключается в том, что с его помощью сначала грубо ориентируют ось самолета относительно оси коллиматора с некоторой допустимой угловой погрешностью φ, не выпуская блик из круга радиусом d, a обеспечение параллельности осей производят путем перемещения облучателя коллиматора так, чтобы центр его раскрыва (обычно открытого волновода) совпадал с центром блика на полупрозрачной юстировочной мишени, не меняя при этом положения всего коллиматорного устройства (т.е. его геометрической оси). При совпадении центра облучателя с центром блика на полупрозрачной юстировочной мишени электрическая ось СВЧ-луча коллиматора поворачивается на упомянутый угол φ и становится параллельной оси самолета. Таким образом, как и в прототипе, коллиматор имитирует бесконечно удаленную цель, совмещенную с осью самолета.
На чертеже изображена структурная схема предложенного устройства.
Устройство содержит юстировочный полигон 1, БРЛС 2, антенну БРЛС 3, расположенную в носовой части самолета, лазерный визир 4, жестко связанный с антенной БРЛС 3, ось которого параллельна оси антенны и строительной оси самолета, параболический коллиматор 5 с облучателем, расположенный в ближней зоне Френеля антенны БРЛС 3, юстировочную мишень 6 с перекрестием, расположенную так, что ее плоскость перпендикулярна оси коллиматора 5, а перекрестие совпадает с его фокусом, имитатор цели 7, выход которого соединен со входом облучателя коллиматора, и механизм перемещения облучателя 8
Устройство работает следующим образом.
Самолет с БРЛС 2 устанавливается носовой частью в безэховую камеру полигона 1. СВЧ-сигнал имитатора цели 7 поступает на вход облучателя коллиматора 5, который трансформирует сферическую волну облучателя в квазиплоскую волну и излучает ее в направлении БРЛС-2. Для того чтобы коллиматор имитировал бесконечно удаленную цель, находящуюся на строительной оси самолета (ось антенны БРЛС 3 параллельна оси самолета), он должен быть ориентирован так, чтобы плоский фронт его волны был перпендикулярен оси антенны БРЛС 3, а следовательно, оси самолета.
В отличие от прототипа, это достигается не за счет перемещения всей конструкции коллиматора 5, а путем смещения облучателя коллиматора с помощью механизма перемещения облучателя 8.
max
Прежде чем выполнить операцию смещения облучателя, ориентируют ось самолета по азимуту (путем поворота переднего шасси самолета) и по наклону (с помощью домкрата) таким образом, чтобы блик от луча лазерного визира 4 на полупрозрачной котировочной мишени 6 находился внутри круга максимально допустимого угла φ, см. (3). Обычно этот угол не превышает 2-3 градуса.
0
0
Для высвечивания блика на мишени часть полотна коллиматора 5, обращенная к лазерному визиру 4, выполнена зеркально отражающей, а юстировочная мишень 6 выполнена из полупрозрачного материала (например, из органического стекла). Луч лазерного визира 4 отражаясь от зеркальной поверхности коллиматора, образует на полупрозрачной юстировочной мишени 6 светлый блик, расстояние d до которого от центрального перекрестия мишени пропорционально углу рассогласования φ осей самолета и коллиматора, см. (2).
Для обеспечения параллельности осей, с помощью механизма перемещения облучателя 8 смещают облучатель таким образом, чтобы видимый через полупрозрачное стекло юстировочной мишени 6 центр раскрыва облучателя совпадал с центром лазерного блика на полупрозрачном стекле юстировочной мишени 6.
0
В результате смещения облучателя указанным путем электрическая ось коллиматора оказывается повернутой на угол φ=φ и становится параллельной оси самолета, при этом коллиматор имитирует цель, совпадающую с осью самолета, в то время как геометрическая ось коллиматора остается неизменной. Для определения качества электрической юстировки антенны БРЛС 3 пеленгуют имитированную цель с помощью системы углового сопровождения БРЛС 2 и измеряют с помощью той же БРЛС угол пеленгации цели. При нормальной электрической юстировке указанный угол должен быть равен нулю с некоторой допустимой по техническим условиям погрешностью ±Δ (обычно составляющей единицы угловых минут).
Если разъюстировка Δ выходит из норм Т.У., производят коррекцию юстировки путем, например, изменения положения антенны БРЛС 3, или осуществляют цифровую корректировку луча антенны БРЛС 3.
Следует особо отметить, что при работе с коллиматорами в ближней зоне антенны нет необходимости в процессе ориентирования самолета и коллиматора добиваться совмещения их осей («ось в ось»). Результаты электрической юстировки при параллельности осей также достоверны, как и при их совмещении. Необходимо лишь при этом, чтобы плоский фронт волны антенны БРЛС 3 не выходил за пределы плоского фронта волны коллиматора 5, что нетрудно обеспечить при выполнении главного условия: диаметр раскрыва коллиматора 5 должен быть больше диаметра раскрыва антенны БРЛС 3 по крайней мере в два раза. Указанное обстоятельство позволяет значительно упростить процесс юстировки с помощью коллиматоров.
Введение в устройство новых признаков: механизма перемещения облучателя коллиматора, выполнение котировочной мишени радиопрозрачной и оптически полупрозрачной и расположение ее так, что ее плоскость перпендикулярна оси коллиматора, а центральное перекрестие совпадает с фокусом коллиматора, а также выполнение части полотна коллиматора зеркально отражающим, выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, так как позволяет удешевить и упростить процесс юстировки антенн большого диаметра путем смещения облучателя коллиматора относительно его фокуса, не прибегая к ориентированию всего коллиматорного устройства относительно оси самолета.