УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ
RADAR RANGING OBJECTS RADAR CROSS-SECTION MEASUREMENT DEVICE

Заявляемое изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов радиолокации, соизмеримых или 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 данный способ не позволяет измерять ЭПР, когда мощность рассеянного объектами сигнала меньше мощности фоновых отражений, т.е. ЭПР исследуемого объекта меньше ЭПР фона.
Существуют способы и устройства, которые решают эту проблему. Известен 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 ЭПР 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 ЭПР 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 ЛЭР или плоская двумерная эквидистантная решетка (ПДЭР) 6 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 ЛЭР (ПДЭР) ее ЭПР близка к ЭПР уединенного объекта, умноженной на квадрат их числа. Требуемый для измерения ЭПР с заданной точностью уровень превышения мощности отраженного сигнала над фоном достигается путем увеличения числа объектов в решетке.
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 линейные размеры будут превышать размеры 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 увеличение отношения сигнал-фон при измерениях ЭПР радиолокационных объектов с помощью ЛЭР (ПДЭР) в условиях ограничения размеров зоны измерений.
Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в устройстве для измерения ЭПР радиолокационных объектов (фиг. 2), содержащем передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором, согласно изобретения, вместо исходной ЛЭР (ПДЭР) на опорно-поворотном блоке закрепляют плоскую двумерную решетку 6, составленную из измеряемых радиолокационных объектов 5, размещенных с шагом d≥λ (λ - длина электромагнитной волны) в узлах гексагональной сетки 10, совпадающих с точками излома кривой Пеано-Госпера 8, заполняющей в пределе бесконечного числа шагов области, непрерывно покрывающие плоскую двумерную решетку (ПДР) в границах правильного многоугольника 9.
1
Из методики построения 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) известна зависимость ошибки измерения ЭПР δ от отношения размера зоны измерения к линейному размеру ЛЭР в направлении максимального отражения:
где ;
π=3,1415926;
L - линейный размер ЛЭР;
R - дальность локации;
0,5
θ - ширина гауссовской диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности.
Из (1) следует, что увеличение мощности максимального отражения ЛЭР за счет увеличения ее линейных размеров приводит к неприемлемым ошибкам измерения сверхмалых значений ЭПР одиночного объекта. Большего числа объектов в ЛЭР при ограничении на ее размер можно достичь заменой ЛЭР на ПДЭР квадратной или прямоугольной формы. Однако ее диаграмма обратного отражения (ДОО) как и у ЛЭР имеет высокий уровень боковых лепестков (БЛ), что не способствует увеличению отношения полезный сигнал-фон.
Для решения данной проблемы воспользуемся техническими решениями известными в области проектирования антенных решеток, для которых низкий уровень БЛ диаграммы направленности (ДН) обеспечивается за счет расположения излучающих элементов по фрактальному закону.
Анализ работ, посвященный фрактальным антенным решеткам показал (Бобрешов A.M., Калашников А.Е., Потапов А.А. Обзор зарубежных работ, посвященный фрактальным антенным решеткам // Успехи современной радиоэлектроники. 2014, №1. С. 3-14), что расположение излучающих элементов по фрактальному закону основывается на стремлении объединить лучшие характеристики как эквидистантных, так и неэквидистантных антенных решеток. С одной стороны, неэквидистантное случайное расположение элементов исключает появление в ДН антенн дифракционных максимумов при небольшом, в несколько длин волн, среднем расстоянии между элементами, с другой стороны, их детерминированность, использование четкого математического закона, задающего расположение элементов, способствует созданию антенных решеток с большим коэффициентом направленного действия при одновременном низком уровне БЛ.
В основе фрактальности лежит принцип самоподобия большинства фигур. Полагаем, что антенная решетка является самоподобной и состоит из нескольких подрешеток, являющихся уменьшенной копией всей решетки с коэффициентом подобия k. ДН такой самоподобной решетки выражается соотношением:
где k - коэффициент подобия;
=2π/λ d cos θ+β;
d - расстояние между элементами начальной решетки - генератора;
- ее ДН.
m
Приведенное соотношение называется модифицированной теоремой об умножении для самоподобных фрактальных антенных решеток. Для случая изменения частоты в k раз оно преобразуется к виду:
где =n-m, m∈Z,
k - коэффициент подобия решетки.
m
Изменение частоты в k раз приводит к соответствующему масштабированию параметра ψ и не меняет вид ДН антенной решетки, а значит, и такие характеристики, как коэффициент усиления, ширина главного лепестка (ГЛ), уровень БЛ и др. В этом смысле рассматриваемая решетка является многочастотной и обладает логопериодическими характеристиками.
В материалах (Бобрешов A.M., Калашников А.Е., Потапов А.А. Обзор зарубежных работ, посвященный фрактальным антенным решеткам // Успехи современной радиоэлектроники. 2014, №1. С. 8-10) рассмотрены двумерные разреженные антенные решетки с расположением элементов в точках излома кривой Пеано-Госпера. Формирование кривой Пеано-Госпера показано на фиг. 3. Данная кривая является самоподобной и, следовательно, к решеткам на ее основе применима модифицированная теорема умножения. Там же продемонстрировано, что при среднем расстоянии между антами, равном одной длине волны λ, такая фрактальная решетка имеет значительно больший коэффициент направленного действия и низкий уровень БЛ, чем ПДЭР близкая по размерам и числу элементов. На этом основании уместно применить структуру данной фрактальной решетки в предлагаемом устройстве для измерения ЭПР радиолокационных объектов, заменяя соответственно излучатели на радиолокационные объекты. Фрактальная решетка в роли пассивного радиолокационного отражателя, также как и любая другая антенна, работающая на прием и излучение, в большей степени сохраняет присущие для нее качества. Причем, учитывая принцип взаимности, характеристики излучения антенны при согласованном приеме остаются справедливыми и для анализа рассеянного ею поля, т.е. ДОО.
Поясним принцип формирования предлагаемой фрактальной решетки. Инициатором построения кривой Пеано-Госпера является отрезок единичной длины, а его генератором является ломаная линия 8 (фиг. 3а). Она состоит из семи отрезков длиной  каждый (фрактальная размерность равна 2). Пунктиром показана гексагональная (треугольная) сетка 10, служащая своеобразной образующей для этого генератора. Следующие три шага процесса построения показаны на фиг. 3. Отличительной особенностью кривой Пеано-Госпера является то, что граница области («остров Госпера»), которую она заполняет в пределе бесконечного числа шагов, сама является фрактальной с целочисленной размерностью. Такие «острова Госпера» можно использовать для непрерывного покрытия ПДР, при этом видно, что они идеально стыкуются друг с другом. Например, семь таких «островов Госпера», состыкованных вместе (один в центре и шесть вокруг него), образуют снова «остров Госпера» в три раза большего размера (фиг. 4). Таким образом, кривая Пеано-Госпера может быть расширена на бесконечность с заполнением всей ПДР в границах правильного многоугольника 9.
Расположением радиолокационных объектов с шагом d в точках излома кривой Пеано-Госпера решается задача соблюдения как свойств самоподобия расположения элементов, так и применимости модифицированной теоремы об умножении.
Принцип действия предлагаемого устройства основывается на следующем. ПДР, составленная из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов измерения, размещенных с шагом d≥λ (λ - длина электромагнитной волны) в узлах гексагональной сетки, совпадающих с точками излома кривой Пеано-Госпера, заполняющей в пределе бесконечного числа шагов области, непрерывно покрывающие ПДР в границах правильного многоугольника, размещают в радиолокационном поле и вращают вокруг ее вертикальной оси так, что нормаль к центру правильного многоугольника, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости (фиг. 2). Излучаемые передающим блоком радиоволны рассеиваются на двумерной решетке и через приемный блок регистрируются регистратором.
В данном случае имеем:
где λ - длина волны;
d - шаг двумерной решетки (гексагональной сетки);
i
θ - угол падения излученной передатчиком электромагнитной волны на плоскость ПДР;
s
θ - угол отражения электромагнитной волны от решетки в направлении приемника;
n=1, 2, …;
θ - угол между нормалью к решетке и биссектрисой угла разноса приемной и передающей антенн.
Рассеянную решеткой под углом θ=0° мощность определяют путем сравнения с эталоном ее ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением измеренной величины на число объектов в ПДР, возведенное в квадрат.
Расположение радиолокационных объектов в точках излома кривой Пеано-Госпера в ПДР позволяет в направлениях, задаваемых выражением (2) и отличных от θ=0°, уменьшить амплитуду рассеянного решеткой суммарного поля в угловом секторе, прилегающем к ГЛ ДОО решетки. Одновременно, при θ=0° за счет синфазного сложения в ГЛ ДОО решетки увеличить полезный сигнал, рассеянный объектами измерения до величины, превышающей уровень фона используемой измерительной установки.
При вращении известной ПДЭР вокруг ее вертикальной оси и рассеянии радиоволн на исследуемых объектах происходит следующее (фиг. 1).
Разность хода волн, падающих на соседние объекты, составляет
i
i
Δ=d sin θ;
для волн, рассеянных этими же объектами
s
s
Δ=d sin θ;
а суммарная составит
i
s
i
s
Δ+Δ=d (sin θ+sin θ).
Если при этом разность фаз составит целое число периодов, т.е.
i
s
d (sin θ+sin θ)=n⋅λ,
то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал в направлении θ увеличивается по мощности на число объектов в квадрате раз. Это проиллюстрировано на фиг. 7 (ПДЭР), где ГЛ ДОО формируются под углом θ равным 0° и 30°. При этом БЛ имеют высокий относительно ГЛ уровень, порядка - 14 дБ.
В предлагаемом устройстве такого не происходит из-за расположения объектов в ПДР с шагом d≥λ по фрактальному закону (далее - фрактальная решетка). За счет этого соседние строки решетки, содержащие разное число объектов, хотя и имеют равный шаг, но смещены друг относительно друга. В итоге - амплитуды рассеянных объектами полей складываются в пространстве с разной фазой - происходит «размытие» интерференционного лепестка множителя всей фрактальной решетки в близи ГЛ ДОО в широком секторе углов и, как итог - уменьшение уровня БЛ. Одновременно в направлении θ=0°, по нормали к фрактальной решетке, рассеянные объектами сигналы складываются синфазно и полезный сигнал увеличивается по мощности. При этом ЭПР ГЛ определяется как ЭПР уединенного объекта, умноженной на число объектов в квадрате.
Повышение точности измерения ЭПР радиолокационных объектов с помощью фрактальной решетки в сравнении с соизмеримой прямоугольной решеткой при ограниченных размерах зоны измерений, обеспечивается снижением уровня БЛ в ДОО и как итог - увеличением полезного сигнала над фоновыми отражениями.
-5
2
Проверка предлагаемого технического решения проведена на основе численного электродинамического математического моделирования с помощью программы CST (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 126-136). Для этого использовались следующие исходные данные: длина волны (λ) радиоизлучения - 3,1 см, исследуемое устройство-прототип - прямоугольная решетка из 49 одинаковых проводящих микросфер с уровнями ЭПР 10 м, и предлагаемое устройство - фрактальная решетка равных с прототипом размеров, составленная из 50 аналогичных микросфер, размещенных в узлах гексагональной сетки, совпадающих с точками излома кривой Пеано-Госпера. В обоих устройствах шаг решетки d равнялся λ.
Модели для исследования, а также результаты математического моделирования приведены на фиг. 5-7.
На фиг. 5 приведена схема модели фрактальной решетки предлагаемого устройства, где 0°, 30°, 60° - соответствует угловому положению решетки относительно вертикальной оси вращения 7 при повороте ее вокруг центра 11 в ходе исследований.
На фиг. 6 - схема модели прямоугольной решетки устройства-прототипа.
На фиг. 7 приведены рассчитанные для сектора углов 0±30° ДОО решеток, изображенных на фиг. 5 (фрактальная-60) и фиг. 6 (прямоугольная).
Результаты рассчитанных ДОО модели фрактальной решетки на фиг. 8 для углов ее поворота вокруг центра 11 на 0°, 30°, 60° относительно оси вращения 7 указывают на устойчивый характер снижения уровня БЛ.
Учитывая, что измеряемой величиной выступает значение уровня ЭПР ГЛ ДОО, формируемого по нормали к фрактальной решетке, то для уменьшения сопутствующих фоновых отражений предлагается в качестве ее основы использовать пластину из радиопоглощающего материала с коэффициентом отражения по нормали не хуже -25 дБ. На фиг. 9 приведена ДОО пластины из радиопоглощающего материала типа ВРП-4 на длине волны 3,1 см (Описание патента №2616586 от 18.04.2017 г., МКИ G01R 29/08 [2006.01]), а из фиг. 7, следует, что отражения от нее по нормали не ухудшают прогнозируемые (расчетные) максимальные значения уровней ЭПР ГЛ и БЛ.
Анализ приведенных на фиг. 7 результатов показывает существенное, до 13,4 дБ снижение уровня ЭПР БЛ и соответствующее превышение полезного сигнала (ЭПР ГЛ) над фоновыми отражениями. Данный результат, исходя из зависимости максимальной погрешности измерения ЭПР объекта от уровня фона (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сое. радио». 1972. С. 190), обеспечивает уменьшение погрешности измерений с 1,3 дБ до 0,25 дБ.
Технический результат достигнут: увеличено отношение сигнал-фон при измерениях ЭПР радиолокационных объектов с помощью фрактальной решетки в условиях ограничения размеров зоны измерений.
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 или меньше длины волны.
Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей, поскольку заключается в замене одной решетки на другую или в размещении объектов измерения по фрактальному закону в исходной решетке.