Способ измерения эффективной поверхности рассеяния объектов в экспресс-режиме в условиях естественного фона радиолокационными средствами и устройство для его осуществления
METHOD OF MEASURING RADAR CROSS-SECTION OF OBJECTS IN EXPRESS MODE IN CONDITIONS OF NATURAL BACKGROUND BY RADAR DEVICES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области определения характеристик радиолокационных целей, в частности измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) в натурных условиях.
Изобретение относится к рубрикам: Измерение мощности радиотехническими способами, МПК 9 G01S; Измерение с индикацией на экране ЭЛТ G01S 3/84; Измерение на принципе отражения радиоволн G01S 13/02.
Способ может быть использован для определения ЭПР различных объектов на разной стадии разработки, оценки эффективности средств и методов снижения их радиолокационной заметности.
Необходимость получения достоверных значений ЭПР цели, изделия на разной стадии использования и эксплуатации определяется назначением и способом его применения. В уравнении радиолокации значение этой величины расположено в числителе. Выражается она через отношение плотности потоков мощностей падающей и отраженной волн. Выражается ЭПР в квадратных метрах или децибелах [1], (с. 16). Связь между этими значениями определяется выражением
где σ - символ ЭПР,
2
из которого следует, что уровню в ноль децибел соответствует величина ЭПР, равная 1 м.
ц
Практически в радиотехнических измерениях, как и в оптических измерениях, ЭПР цели σ определяют методом сравнения с известной эффективной отражающей поверхностью эталона:
ц
эт
где - σ и σ - ЭПР цели и эталона;
и  - напряженности поля эталона и цели при одинаковых условиях наблюдения.
При одинаковых условиях наблюдения, когда измеряют максимальные дальности обнаружения, справедливо отношение:
ц.макс
эт.макс
где Д и Д - максимальные дальности обнаружения цели и эталона.
Измерения и расчеты ЭПР производят также путем сравнения величины энергетического уровня сигнала, отраженного от цели, с известным уровнем сигнала от генератора стандартных сигналов (ГСС).
Определяют расчетные значения ЭПР объектов, также используя формулы, принятые для классических радиолокационных отражателей типа пластин, сфер цилиндров и других форм, часть из этих отражателей применяется в виде эталонов [2].
В лабораторных и стендовых условиях широко применяется электродинамическое моделирование как менее затратное. Оно является основным для определения ЭПР макетов больших объектов и целей. Моделирование с использованием волн оптического диапазона рассмотрено в [3] (с. 29, 36, 144).
Натурные (динамические) измерения ЭПР, проводимые специализированной лабораторией, трудоемки и дороги.
Измерительные приборы (приемники) для определения ЭПР, как правило, выполнены по супергетеродинной схеме. Промышленностью налажено производство и серийно выпускаются смесители, аттенюаторы и другие элементы ВЧ и СВЧ техники. Создаются и стандартизируются радиолокационные измерительные комплексы - РИК полигонного типа с компьютерной обработкой сигналов. Основой таких устройств являются ранее выпущенные корабельные РЛС. Например, в статье «К истории радиолокации: создание экспериментального радиолокационного измерительного комплекса «РИК-Б» приводится пример использования РЛС управления стрельбой корабельной артиллерии при создании комплекса РИК-Б специалистами «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова» [4]. Примером такого же комплекса является РИК-М, имеющий сертификат Госстандарта RU.E.35.018R №6992 от 12.11.1999 г.
В литературе, технических описаниях приводятся характеристики каналов и каскадов РЛС [5]. Так, напряжение промежуточной частоты, снимаемое с детектора смесителя, очень мало и составляет 5-50 мкВ [6]. Обосновывается количество каскадов усилителей промежуточной частоты (УПЧ), в том числе и предварительных (ПУПЧ). Также обосновывается количество каскадов, которые охватываются временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ).
Рассмотрены способы измерения интегральной и дифференциальной ЭПР объектов и устройство радиолокационных измерительных комплексов [3] (с. 166-175).
Близким техническим решением является способ измерения интегральной эффективной площади рассеяния объектов в полигонных условиях на трассе «земля-земля», заключающийся в облучении исследуемого объекта импульсным узкополосным сигналом фиксированной мощности, излученным измерительной РЛС через приемопередающую антенну, приеме отраженного объектом сигнала с помощью той же антенны и сравнении их мощности с мощностью сигналов, отраженных от эталонного отражателя с известной ЭПР [3] (с. 166-175).
На этом принципе построен «Способ калибровки РЛС по величине ЭПР при проведении динамических измерений эффективной поверхности рассеяния исследуемых объектов» - патент 2477495 (RU), МПК 7 G01S 7/40.
Недостатком известных способов и реализующих устройств является узкоспециальная направленность такого РИК, сложность технической реализации и трудоемкость. Результаты измерений целей и макетов претендуют на абсолютные значения без учета фона, окружающей среды, в большей части привязаны к безэховой камере и, как правило, замеры одновременно нескольких целей не производят.
Известны также патенты 2371730 (RU), МПК 7 G01R 29/10 «Способ измерения эффективной площади рассеяния объектов и радиолокационный комплекс для его осуществления», 2101717 (RU), МПК 7 G01R 29/10, G01S 13/75 «Способ измерения эффективной площади рассеяния и устройство для его осуществления». Рассматриваются вопросы измерений максимальных и минимальных значений результирующей амплитуды электромагнитных волн, отраженных от отражателя и эталона и от отражателя и маркера при двух разных значениях импеданса антенны.
Сложность и трудоемкость процесса измерений а также использование специализированных измерительных и регистрирующих средств при обеспечении лабораторных и полигонных условий, привлечение специально обученных специалистов делают эти работы избыточно трудоемкими для экспресс-анализа обстановки перед выполнением практических упражнений и боевых стрельб. Реализовать измерения одновременно большой совокупности реальных объектов и ложных целей, имитирующих реальную мишенную обстановку, известными РИКами, предназначенными для работы в лабораторных, стендовых или полигонных условиях, представляется проблематичным.
Решение вопроса экспресс-измерений было заимствовано из оптики.
Наиболее близким по технической сущности способом измерений отражательных характеристик целей является «Способ измерения яркостных характеристик объектов в оптическом диапазоне спектра и устройство для его осуществления», принятый за прототип патент 2378625 (RU), МПК 7 G01J 1/10 [7]. Радиолокационные приемники, как и оптические, обладают пороговыми уровнями чувствительности. Для определения контраста в оптике устанавливают фильтры в линии визирования эталонного отражателя и исследуемого объекта. Наблюдатель постепенно увеличивает плотность фильтров, фиксирует на экране индикатора, в окуляре прибора исчезновение сигналов от эталонного отражателя и от исследуемого объекта, определяет плотности фильтров для обоих отражателей, то есть порог срабатывания. С учетом коэффициента яркости эталонного отражателя вычисляется коэффициент яркости исследуемого объекта. Причем монитором становится экран видео или фотоаппарата, окуляр лазерного дальномера, то есть действия определяются выбранным спектральным диапазоном оптического средства.
Таким же образом рассматривается возможность проводить измерения затухания отраженных сигналов и в РЛ диапазоне с помощью аттенюатора, установленного в «линию визирования», а расчет и измерения производить согласно формуле сравнения (3).
Замещая максимальные дальности обнаружения в формуле (3) значениями аттенюатора после введения затухания сигналов от эталона и цели до порогового уровня, производят логарифмические вычисления.
Перевод показаний аттенюатора значений сигналов в размерность ЭПР производят по графику с модулем 35 мм (фиг. 1) [1]. График составлен по источнику Л.С. Блок [8].
Способ измерений ЭПР целей по порогу чувствительности РЛС, фиксируемому оператором как отсутствие отраженного сигнала на экране монитора при введении затухания аттенюатором, является заслуживающим внимания.
Субъективные ошибки, которые могут возникнуть при измерениях оператором значений затухания на аттенюаторах и наблюдении отраженных сигналов на экране индикатора, не велики и составляют от ±0.15 до ±0.05 дБ. [9] (с. 453). Они сводятся к минимуму путем повторного снятия показаний двумя различными наблюдателями для трех последовательных измерений.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей штатных РЛС, находящихся в эксплуатации на кораблях и судах, для обеспечения сравнительных, одновременно проводимых экспресс-измерений ЭПР морских, береговых, воздушных и ложных целей при тренировках, в период подготовки мишенной обстановки перед стрельбой и пуском ракет с учетом реальной фоновой обстановки, метеоусловий, брызг, волн.
Сущность изобретения как технического решения заключается в измерении ЭПР одной цели или нескольких, входящих в ордер или мишенную позицию, штатной, например, корабельной РЛС с использованием эталонного отражателя также штатного исполнения. Ожидаемый технический результат заключается в повышении объективности натурных измерений реальных и ложных целей за счет измерения всей мишенной обстановки в одно время и в одинаковых условиях. Способ предусматривает использование штатных РЛС разных спектральных диапазонов применительно к средствам противника.
Способ характеризуется доступностью схемного и конструктивного изменения радиолокационных станций разных типов и диапазонов, а также возможностью привлечения к измерениям штатных операторов-радиометристов. Кроме того, использование такого способа измерений организационно и экономически выгодно, поскольку это исключает привлечение специализированных измерительных лабораторий с операторами и позволяет проводить тренировки радиометристов в походе, на учениях, при подготовке мишенной обстановки для стрельб.
Все известные способы измерения ЭПР объектов основаны на сравнительных действиях с сигналами от известных эталонных отражателей или генераторов стандартных сигналов.
В данном случае в естественных условиях используют в качестве эталонного отражателя, например штатный надувной радиолокационный уголковый отражатель, защищенный патентом 2368988 (RU), МПК 7 H01Q 15/18, F41H 3/00 [14]. С целью сокращения затрат, обеспечивающего оборудования и получения второго уменьшенного значения ЭПР этого отражателя на него накидывают металлическую или металлизированную сетку с размером ячейки меньше длины волны, используемой РЛС [2]. Таким образом, радиометрист наблюдает на экране РЛС поочередно два торированных отраженных сигнала, что позволяет отрепетировать методику измерений. Радиометрист уменьшает величину входного сигнала аттенюатором, установленным в цепь прохождения энергии в каскаде ПУПЧ. По пропаданию отраженного сигнала на экране индикатора оператор определяет пороги чувствительности открытого и закрытого сеткой уголкового отражателя. Разница показаний аттенюатора в децибелах дает величину превышения ЭПР открытого и закрытого отражателя. Кроме того, эти значения аттенюатора для данного измерения могут быть приняты за эталонные, что также позволяет убедиться в работоспособности устройства. Далее оператор проводит такие же измерения со всеми объектами мишенной обстановки на водной поверхности в условиях естественного фона, сравнивания их с эталонными значениями.
Технический результат обеспечивается совокупностью следующих существенных признаков.
1. Сочетание объективного способа измерения - обнаружение и фиксация значений сигналов производится приемной частью штатной РЛС (снижение уровня сигнала встроенным стандартным аттенюатором) и субъективного способа измерения - вращение ручки аттенюатора и регистрация отсутствия сигнала - порога срабатывания производится оператором-радиометристом на экране индикатора.
2. Градуировка приемного устройства производится только по порогу чувствительности. Для градуировки используется надувной радиолокационный отражатель, который принимается за эталонный.
3. Привлечение в качестве регистрирующих устройств не специализированных измерительных приборов и средств, а штатных навигационных, обзорных, стрельбовых и т.д. РЛС, диапазон работы и функциональные возможности которых соответствуют характеристикам средств, против которых принимаются меры защиты.
Сущность технического результата характеризуется следующим.
Измерение величин ЭПР защищаемых объектов и ложных целей, их сравнительные параметры производят с целью оценки возможности их обнаружения, сопровождения и наведения на них противокорабельного оружия противника, принятия мер снижения заметности. На практике эти измерения проводят на специализированных стендах, полигонах, создаются и сертифицируются радиолокационные измерительные комплексы. Параметры отражательных способностей объектов и искусственных целей приобретают значения паспортных данных.
Однако, как правило, эти данные получают раздельно, без сравнительных характеристик, и получают их в различных условиях окружающей среды.
Полученные разрозненные данные и результаты «привязываются» к характеристикам диапазонов и функциональных возможностей радиолокационных средств.
Рассматривается возможность и целесообразность применения штатных корабельных РЛС для оценки ЭПР надводных кораблей, судов, береговых ориентиров, уголковых отражателей, выстреливаемых ложных целей с учетом реальной фоновой обстановки для обеспечения тренировок радиометристов, проведения учений и стрельб, отработки задач выбора цели с большей или меньшей ЭПР и т.д.
Особенностью использования этих РЛС является то, что они имеют тот же диапазон и те же функциональные возможности, что и корабельные средства противника, и готовы к использованию с выходом корабля в море. Обслуживаются штатными радиометристами. Эталонные отражатели в виде уголковых отражателей могут применяться также штатного исполнения. Это позволит проводить тренировки по специальности, учения и боевые стрельбы. Кроме того, эти РЛС также имеют конечные пороговые уровни чувствительности и линейную характеристику приемного устройства на уровне малых сигналов.
2
2
Действия оператора РЛС. Оператор включает РЛС, в заданном секторе обзора находит на экране монитора эталонный отражатель. Ручкой аттенюатора вводит затухание сигнала до пропадания - порога обнаружения, показания регистрируются, затем по команде ЭПР уголка снижается путем накидывания на него металлизированной сетки, также снимаются показания аттенюатора. Разница показаний аттенюатора в дБ соответствует разнице ЭПР в м (1). Этим действием осуществляется проверка работоспособности схемы. Затем производят снижение сигнала от цели до порога обнаружения цели. Из большего показания аттенюатора вычитается меньшее значение. Этот результат в дБ соответствует разнице ЭПР в м. ЭПР целей определяется по формуле (3).
УСТРОЙСТВО
Известно большое количество устройств и комплексов для измерения ЭПР малоразмерных и крупногабаритных объектов, работающих в лабораторных условиях, в закрытых и открытых полигонах. В измерительных установках используются приемники супергетеродинного типа с промежуточной частотой 30, 60 МГц. Они достаточно полно рассмотрены в [3] (с. 144-186).
Возможная блок-схема импульсного обзорного радиолокатора с визуальным и цифровым съемом информации рассмотрена в разделе «Обзор по дальности и обзор пространства» [4] (с 221).
Элементы и блоки измерительных средств сантиметрового диапазона, такие как генераторы стандартных сигналов, волномеры, ответвители, аттенюаторы, рассмотрены также в [9] (ТОМ 1, 2). Используются и разрабатываются устройства с применением современных вычислительных средств таких, как указанны в устройствах для измерения ЭПР крупногабаритных объектов [10, 11], которые последовательно содержат импульсный передатчик, антенну, приемник и вычислитель, к входу которого присоединен пульт управления, в состав входят также поворотное устройство и эталонный отражатель.
Близким по технической сущности устройством (прототипом) может быть радиолокационная станция, защищенная патентом 2217774 (RU), МПК 7 G01S 13/00, G01R 29/08 [12], включающая в себя передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, индикаторное устройство, синхронизатор, при этом выход передатчика соединен с входом приемника, выход приемника и координатный вход антенны соединены соответственно с первым и вторым входом индикаторного устройства, каждый из двух выходов синхронизатора соединен с синхровходами передатчика, причем дополнительно введен блок оценки ЭПР объекта. Решается задача выявления локальных центров отражения важных для снижения радиолокационной заметности объектов.
Все известные устройства для определения ЭПР представляют собой переоборудованные РЛС, имеют дополнительные блоки измерения и регистрации величины отраженного сигнала, встроенные устройства памяти величин эталонного отражателя или генератора стандартных сигналов, а также устройства подъема и поворота макетов объектов. Таким образом, все измерения ЭПР проводятся специализированными приборами, привлекаются подготовленные операторы.
Предлагаемое устройство направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении более доступной практической возможности измерений сравниваемых ЭПР объектов, целей, выставляемых ориентиров, сбрасываемых, уголковых отражателей в режиме экспресс-анализа в условиях естественной фоновой обстановки.
Устройство для измерения ЭПР может быть выполнено на основе штатных корабельных РЛС, обслуживаемых также штатными радиометристами с получением результатов в текущем времени. Анализ литературы по ранее разработанным РЛС [15] (с. 117) с промежуточной частотой - 30 МГц; [16] (с. 23), с промежуточной частотой - 60 МГц.; [17] (с. 151), с промежуточной частотой - 30 МГц показывает, что каскады УПЧ установлены в приемопередатчиках и расположены в закрытых помещениях рядом с индикаторными устройствами. Сигнал после смесителя поступает на вход каскадов предварительного усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ), первые два каскада не охвачены временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ). В некоторых радиолокационных станциях, например РЛС «Комета-2М» [17], между третьим каскадом ПУПЧ и четвертым каскадом основного канала УПЧ конструктивно выполнено соединение высокочастотным фидером и разъемами. В этой цепи величина отраженного сигнала от объекта пропорциональна ЭПР. Поскольку сравнительные измерения ЭПР производит оператор глазами по исчезновению сигнала на экране индикатора, то есть по порогу чувствительности приемного устройства, то все принятые сигналы, задавленные аттенюатором, будут находиться на линейном участке характеристики. Это позволяет устанавливать в цепь между вторым и третьим (третьим и четвертым) каскадами усиления ПЧ измерительные аттенюаторы. В радиолокационной станции 1РЛ133 аттенюатор может быть установлен после первого каскада усиления, поскольку со второго каскада применены логарифмические усилители. Погрешность измерения ЭПР в динамическом диапазоне 50 дБ не более ±3 дБ. [3] (с. 172). Промышленностью освоено производство волноводных и коаксиальных аттенюаторов [13, 14].
Например, программируемый аттенюатор ТТ-4134 [14] имеет характеристики:
Диапазон частот
0…100 МГц
Диапазон затухания
0…99,9 дБ
Потери в положении 0 дБ
≤0,3 дБ)
В состав рассматриваемого устройства также входит эталонный отражатель, например штатный надувной радиолокационный отражатель [18]. Для ступенчатого изменения (уменьшения) ЭПР этого эталонного отражателя на него или на такой же второй уголковый отражатель накидывают металлическую или металлизированную сетку. Металлизированная сетка при условии, когда шаг (b) меньше длины волны (λ)
обеспечивает уменьшение отражения уголкового отражателя подобно прикрытию пластиной [2] (с. 26). С целью обеспечения удобства работы используют рыболовную сетку (дель) с необходимым шагом для соответствия рабочему диапазону, окрашенную радиоотражающей несмываемой краской, например, на основе алюминиевой или бронзовой пудры.
По разнице показаний аттенюатора, последовательно сводящего сигнал до нуля - порога обнаружения открытого и закрытого эталонного отражателя, судят о работоспособности схемы измерений.
2
Порядок работы с группой целей. Оператор поочередно ручкой аттенюатора вводит затухание сигналов от объекта и эталона, фиксирует на экране индикатора порог срабатывания. Разницу показаний аттенюатора по таблице фиг. 1 переводит в м и определяет на сколько ЭПР отличаются друг от друга. На этом основании принимается решение о достаточности мер для проведения следующего этапа работ.
Реализуемость устройства и достижение технического результата вытекает из описания способа и устройства, наличия корабельных РЛС и радиометристов, решаемых задач, наличия промышленных вспомогательных устройств, возможности доработки силами заводской бригады или ремонтной мастерской.
Блок-схема устройства приведена на фиг. 2
Источники информации
1. Мищенко Ю.А. Радиолокационные цели. М.: Военное издательство. 1966, с. 19.
2. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио. 1975, с. 26.
3. Майзельс Е.Н. Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Советское радио. 1972, с. 29, 36.
4. Известия вузов России. Радиоэлектроника. Вып. 1, 2011.
5. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией профессора Я.Д. Ширмана. М.: Советское радио. 1970, с. 79, 221.
6. Берман Я.И. Гольдин Б.Г. Настройка радиолокационной аппаратуры. Ленинград. Судпромгиз. 1957, с. 88.
7. Патент 2378625 (RU). Способ измерения яркостных характеристик объектов в оптическом диапазоне спектра и устройство его осуществления. МПК 7 G01J 1|1.
8. «Практическая монография» М.: Высшая школа. 1971, с. 22.
9. «Техника измерений на сантиметровых волнах». Перевод с английского под редакцией Ремез Г.А. Том 1.2. М.: Советское радио, 1949.
10. Патент 2342672, (RU), МПК 7 G01R 29/08, G01S 13/00.
11. Патент 2483317 (RU), МПК 7 G01S 7/40.
12. Патент 2217774 (RU) Радиолокационная станция, МПК 7 G01S 13/00, G01R 29/08.
11. Аттенюаторы поляризационные волноводные Д3-32А, Д3-33А, Д3-34А, Д3-35А, Д3-36А. Техническое описание. Технические условия 2.243.000 ТУ, 1982.
12. Программируемый аттенюатор. Тип: ТТ-4134/А. ТЕЛМЕС Будапешт. Измерительные приборы, 1981.
13. Описание радиолокационной навигационной станции «Нептун-М» 33.650.007-ТО-1, 1957.
14. Техническое описание РЛС «ДОН» ЛА 1.150.000ТО.
15. Техническое описание самолетной радиолокационной станции «КОМЕТА-2м» 1956.
18. Патент 2368988 (RU) Надувной радиолокационный отражатель. МПК 7 H01Q 15/18, F41H 3/00.