УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR MEASURING RADAR OBJECT SCATTERING EFFECTIVE SCATTERING AREA

Заявляемое изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния (ЭПР) различных объектов радиолокации, соизмеримых и 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 эталонными отражателями (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио». 1972. С. 166-174). Однако данный способ позволяет измерять ЭПР только в случаях, когда мощность полезного сигнала выше мощности фоновых отражений, т.е. ЭПР исследуемого объекта выше ЭПР фона.
Существуют способы и устройства, которые могут решить 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 6 из одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов 5 с шагом d, 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 ее ЭПР близка к ЭПР уединенного объекта, умноженной на квадрат их числа. Требуемый для измерений 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 линейный размер будет превышать размер зоны измерения.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения сверхмалых значений эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, размер которых соизмерим или меньше длины волны.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является увеличение отношения сигнал-фон при измерениях ЭПР с помощью ЛЭР, линейный размер которой ограничен размером зоны измерений.
Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в устройстве для измерения ЭПР радиолокационных объектов, содержащем передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором закреплена ЛЭР из N одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов, которые, согласно изобретения, нумеруют номерами n от 0 и до N-1, если N-нечетное, и от 1 и до N, если N-четное, и размещают их неэквидистантно, начиная от середины решетки и продолжая поочередно по разные стороны от нее, на расстояниях
которые рассчитывают только
n+1
n
для n=1, 3, …, N-1 и принимают d=d, если N-четное,
0
n-1
n
или для n=2, 4, …, N-1 и принимают d=0 и d=d, если N-нечетное,
где d - шаг исходной ЛЭР; λ/2≤d≤2λ, λ - длина волны радиоизлучения.
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 линейных размеров ЛЭР приводит к неприемлемым ошибкам измерения сверхмалых значений ЭПР одиночного объекта.
Увеличения числа N объектов в ЛЭР при ограничении на ее размер можно достичь заменой линейной решетки на двумерную квадратную или прямоугольную решетку, однако диаграмма обратного отражения (ДОО) этих решеток формируется с высоким, как и у линейной решетки, уровнем боковых лепестков, что не способствует увеличению отношения сигнал-фон.
Для решения поставленной задачи воспользуемся известными из теории антенн способами снижения уровня боковых лепестков (БЛ) по отношению к уровню главного лепестка (ГЛ) в диаграмме направленности (ДН) антенной решетки (Фиг. 7b).
Из основ построения антенных систем известно (В.Г. Глаголевский, Ю.А. Шишов. Антенны радиолокационных станций. М.: Военное издательство МО СССР, 1977. С. 51), что для эквидистантных антенных решеток уменьшить уровень БЛ можно, возбуждая элементы антенны (объекты ЛЭР) токами неодинаковой амплитуды. Для этого необходимо создать такой закон распределения амплитуд токов возбуждения элементов антенны (излучателей), который обеспечивал бы или минимальный уровень БЛ при заданной ширине ДН, или минимальную ширину ГЛ при заданном уровне БЛ. Данную задачу решают с помощью теории дольф-чебышевских решеток. Теория утверждает, что чем быстрее спадает амплитуда токов возбуждения к краям решетки, тем меньше уровень БЛ. В итоге получаем, что для уменьшения уровня БЛ в ДОО ЛЭР ее необходимо облучать неплоским фронтом волны, что практически сложно сделать.
С другой стороны, уменьшение уровня БЛ в ДОО равноамплитудной решетки может быть осуществлено за счет неэквидистантного распределения излучателей. В этом случае (Современная теория и практическое применение антенн, под ред. В.А. Неганова. М.: «Радиотехника». 2009. С. 357) расстояния между элементами решетки устанавливают обратно пропорционально величинам токов в соответствующих излучателях эквидистантной решетки. При неэквидистантном размещении элементов устраняется периодичность множителя решетки, благодаря чему ликвидируются главные дифракционные максимумы высших порядков и снижается уровень БЛ им сопутствующих.
Известные методы синтеза неэквидистантных решеток с оптимизируемыми ДН основаны на использовании численных методов последовательного (итерационного) приближения неэквидистантной расстановки объектов в решетке. При этом используют методы проб (перебор, случайный поиск) и динамического программирования. Численные методы позволяют успешно синтезировать оптимальные неэквидистантные решетки с умеренно большим числом объектов (до N≈50…100).
Существо подхода последовательных приближений состоит в следующем. Выбирается или рассчитывается некоторое начальное расположение элементов (объектов), после чего осуществляются его вариации, определяется их влияние на вид ДН и итерационно фиксируются новые положения объектов с улучшенной ДН решетки. В результате формируется решетка с расположением объектов, обеспечивающим диаграммы с уровнем БЛ, близким к оптимальному.
Если предположить, что взаимная связь между объектами в решетке отсутствует, то нижний достижимый уровень БЛ по мощности приближенно может быть оценен из выражения (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Сов. радио, 1966. С. 89)
На фиг. 3 приведено графическое представление выражения (2), из которого следует, что значительного снижения уровня БЛ можно достичь для решеток уже из 20…30 объектов.
cp
n
Для решеток с d=λ/2 задача уменьшения уровня БЛ приближенно решена путем расчета переменных поправок Δd к шагу d между объектами исходной эквидистантной решетки (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Сов. радио, 1966. С. 91.)
где А - коэффициент, характеризующий уровень БЛ;
m - число уменьшаемых БЛ;
k - номер уменьшаемого БЛ;
n - номер объекта, положение которого изменяется.
При этом объекты решетки нумеруют номерами n от 0 и до N-1, если N-нечетное, и от 1 и до N, если N-четное, и размещают их неэквидистантно, начиная от середины решетки и продолжая поочередно по разные стороны от нее, на расстояниях
n
n+1
n
n+1
n
0
0
n-1
n
n-1
n
которые, вместе с поправками Δd, рассчитывают по (4) и (3) только для n=1, 3, …, N-1 и принимают d=d, Δd=Δd, если N-четное, или для n=2, 4, …, N-1 и принимают d=0, Δd=0 и d=d, Δd=Δd, если N-нечетное.
cp
cp
Полученные по выражению (3) поправки можно использовать в качестве начального приближения для их последующего итерационного уточнения методами проб (перебора или случайного поиска) или динамического программирования (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Сов. радио, 1966. С. 92, 96). Вместе с тем, результаты математического моделирования решеток с шагом d, где λ/2≤d≤2λ, при заданном уменьшении уровня четырех БЛ до нижнего достижимого уровня (2), показывают несущественное улучшение результата сравнительно с начальным приближением (отличия уровня БЛ в ДН менее 1 дБ).
cp
При d≥2λ уровень БЛ зависит главным образом от числа объектов и очень мало от величины среднего расстояния между объектами (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Сов. радио, 1966. С. 95.).
Ограничим номер уменьшаемых БЛ до четырех (k≤4) и приведем выражение (4) с помощью (3) и (2) к виду
где d - шаг исходной ЛЭР; λ/2≤d≤2λ, λ - длина волны радиоизлучения.
Согласно теореме взаимности (Современная теория и практическое применение антенн, под ред. В.А. Неганова. М.: «Радиотехника». 2009. С. 38), ДН антенной решетки на излучение с равноамплитудным возбуждением повторяет ДОО решетки при облучении ее плоским фронтом электромагнитной волны. Тогда приведенные выше доводы по уменьшению уровня БЛ решетки применимы для решения задачи измерения с заданной точностью сверхмалых уровней ЭПР объектов.
Возьмем исходную ЛЭР, предельные размеры которой ограничены размерами зоны измерения. Известно (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 138-160.), что для ослабления взаимного влияния объектов и обеспечения максимального коэффициента направленного действия решетки шаг ЛЭР устанавливают близким к d≈0,96λ.
Принцип действия предлагаемого устройства основывается на следующем.
Одинаковые и одинаково ориентированные радиолокационные объекты исходной ЛЭР, составленной с шагом d из N объектов, нумеруют номерами n от 0 и до N-1, если N-нечетное, и от 1 и до N, если N-четное, и размещают их неэквидистантно, начиная от середины решетки и продолжая поочередно по разные стороны от нее, на расстояниях
которые рассчитывают только
n+1
n
для n=1, 3, …, N-1 и принимают d=d, если N-четное,
0
n-1
n
или для n=2, 4, …, N-1 и принимают d=0 и d=d, если N-нечетное,
где d - шаг исходной ЛЭР; λ/2≤d≤2λ, λ - длина волны радиоизлучения.
Полученную таким образом линейную неэквидистантную решетку (ЛНР) помещают в радиолокационное поле под углом к измерительной установке (фиг. 2)
где λ - длина волны;
cp
d - среднее расстояние между объектами в ЛНР;
i
θ - угол падения излученной передатчиком электромагнитной волны на решетку;
s
θ - угол отражения электромагнитной волны от решетки в направлении приемника;
θ - угол между нормалью к решетке и биссектрисой угла разноса приемной и передающей антенн.
Рассеянную ЛНР под углом θ=0 град, мощность определяют путем сравнения с эталоном ее ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением измеренного значения на квадрат числа объектов решетки.
Использование ЛНР, составленной из объектов с разным шагом, позволяет в направлениях синфазного сложения полей для ЛЭР, задаваемых выражением (6) и приводящих к образованию вторичных ГЛ, за счет несинфазного сложения амплитуду рассеянных ими полей уменьшить уровень БЛ, прилегающих к ГЛ ДОО. Одновременно, при θ=0 град, за счет синфазного сложения можно увеличить полезный сигнал (максимум ГЛ ДОО), рассеянный объектами измерения до уровня, значительно превышающего уровень фона используемой измерительной установки.
На фиг. 1 приведена схема известного устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов, на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов.
Устройство для измерения ЭПР радиолокационных объектов работает следующим образом.
ЛНР из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов измерения размещают в радиолокационном поле и вращают вокруг ее вертикальной оси 7 так, что нормаль к оси вращения и к ЛНР, нормаль к плоскому фронту излученной передающим блоком электромагнитной волны и нормаль к плоскому фронту отраженной от этой решетки волны лежат в одной плоскости (фиг. 2). Излучаемые передающим блоком радиоволны рассеиваются на ЛНР и через приемный блок регистрируются регистратором.
При рассеянии радиоволн на ЛНР происходит следующее. Разность хода волн, падающих на соседние объекты, составляет
i
n
i
Δ=d sin θ;
для волн, рассеянных этими же объектами
s
n
s
Δ=d sin θ;
суммарная -
i
s
n
i
s
Δ+Δ=d (sinθ+sinθ).
Если разность фаз составит целое число периодов, т.е.
n
i
s
d(sinθ+sinθ)=nλ,
2
2
2
i
n
то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал в направлении θ увеличивается по мощности в N раз. При d≥λ/2 в ДОО ЛЭР формируется больше одного главного дифракционного лепестка (фиг. 7а). Кроме того, при выполнении этого условия влияние переотражений между объектами на максимум ЭПР ГЛ решетки мало, и он близок к ЭПР уединенного объекта σ, умноженной на число объектов в квадрате (N). Так как поправка Δd для каждого n-го объекта в ЛНР имеет разную величину, то отраженные сигналы в направлениях θ ГЛ ЛЭР, а также сопровождающих их БЛ не совпадают и складываются с разной фазой. В итоге происходит «размытие» интерференционного лепестка множителя всей решетки в широком угловом секторе. Одновременно с этим, в направлении θ=0 град, отраженные сигналы складываются синфазно, и полезный сигнал увеличивается по мощности в N раз. Таким образом, используя ЛНР, составленную из идентичных объектов измерения, можно измерить ЭПР исследуемых объектов с уровнем, меньшим уровня фоновых отражений.
Проверка предлагаемого технического решения проведена путем численного эксперимента с помощью программы электродинамического моделирования CST (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 126-136). Были сформированы модели линейной эквидистантной (фиг. 4) и неэквидистантной (фиг. 5) решеток, состоящие из 20 одинаковых проводящих микросфер диаметром λ/6. Шаг исходной ЛЭР d=λ. Длина волны радиоизлучения λ=3,1 см.
n
n
n
Рассчитанные в соответствии с (3) и (5) поправки Δd и расстояния d до объектов неэквидистантной решетки от ее середины приведены в таблице на фиг. 6 вместе с координатами x объектов решетки относительно ее середины (размеры даны в метрах).
Результаты математического моделирования ЭПР решеток приведены на фиг. 7. Рассчитанные ДОО исходной ЛЭР (j) из 20 объектов измерения, а также предложенной ЛНР (ƒ) с тем же числом объектов представлены в виде угловых ДОО размером 0±90° (фиг. 7а) и их фрагментов размером 0±10° (фиг. 7b).
Особенностью предлагаемого устройства измерения ЭПР объектов от прототипа является тот факт, что измеряется значение уровня ГЛ (т.е. значение по направлению нормали к решетке). Только в окрестностях ГЛ, согласно представленным доводам, в широком секторе углов можно обеспечить «размытие» БЛ и, тем самым, увеличить отношение сигнал-фон.
Анализ полученных результатов (фиг. 7b) показал, что превышение уровня ГЛ над уровнем БЛ (т.е. полезного сигнала над фоновыми отражениями решетки) составляет для ЛЭР и ЛНР - 13,1 дБ и - 21,3 дБ, соответственно. То есть отношение сигнал-фон увеличено на 8,2 дБ.
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.: «Сов. радио». 1972. С. 190), обеспечивает уменьшение составляющей погрешности измерений объектов из-за фоновых отражений от решетки с 2 дБ до 0,7 дБ.
Технический результат достигнут: увеличено отношение сигнал-фон при измерениях эффективной площади рассеяния объектов с помощью ЛНР, линейный размер которой ограничен размером 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 и меньше длины волны.
Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей и заключается в изменении размещения объектов измерения в одной и той же решетке.