Устройство для экспериментальной проверки качества работы радиолокационных станций
DEVICE FOR EXPERIMENTAL INSPECTION OF WORK QUALITY OF RADAR STATIONS

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к области испытаний радиолокационных станций (РЛС), в частности к конструкциям эталонных и калибровочных отражателей, и может использоваться для оценки характеристик и качества работы РЛС.
Для оценки качества работы РЛС (дальности обнаружения, формы диаграммы направленности антенны, точности оценки эффективной площади рассеяния (ЭПР) и др.) используются эталонные отражатели (ЭО) [1, стр. 208].
Например, известен способ калибровки РЛС, который заключается в следующем: запускают искусственный спутник Земли (ИСЗ) сферической формы, облучают его сигналами калибруемой РЛС, принимают и измеряют амплитуды отраженных от ИСЗ сигналов, которые используют как соответствующие эталонному значению ЭПР отражателя [2].
Недостатком данного способа является то, что изготовить сферу больших размеров с высокой точностью чрезвычайно сложно, а вывести на орбиту почти невозможно [1, стр. 51]. Кроме того, для испытаний РЛС обнаружения аэродинамических целей такой способ не подходит, так как орбиты спутников лежат за пределами зон обнаружения этих станций.
Также известны способы калибровки РЛС [3-6], суть которых заключается в том, что на орбиту Земли запускают космический аппарат, содержащий уголковый отражатель с известной величиной ЭПР в направлениях, близких к оси его раскрыва. Этот отражатель облучают сигналами калибруемой РЛС, принимают отраженные сигналы и измеряют их амплитуды.
Существенным недостатком данных аналогов является применение уголковых отражателей или других направленных отражателей (например, линз Люниберга). ЭПР таких отражателей известна в ограниченных ракурсах облучения, и она имеет зависимость от углов визирования. Это значит, что в процессе калибровки РЛС придется точно отслеживать положение отражателя в пространстве относительно калибруемой станции. Кроме того, направленные отражатели не могут применяться при оценке качества работы многопозиционных РЛС, так как их бистатическая ЭПР не является эталонной.
В настоящее время наиболее часто в качестве ЭО на испытаниях РЛС ПВО применяется отражающая сфера, подвешенная к метеозонду. Но в свободном полете ее траектория слабо предсказуема. При этом число повторов эксперимента ограничено. При подъеме с применением лебедки и троса имеют место ограничения по высоте подъема и искажение ЭПР деталями крепления. Указанные недостатки не позволяют оценивать разрешающую способность по координатам при применении двух ЭО.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является раскрывающийся сферический эталонный отражатель излучения [7], который представляет собой металлический складывающийся каркас с закрепленной на нем отражающей поверхностью. Отражающая поверхность образована сетеполотном, представляющим собой плетеную металлическую сетку, которая может быть выполнена выполненной из вольфрамовой или стальной микропроволоки с покрытием из золота. Каркас состоит из несущих меридианных стержней, расположенных на меридианах сферы, которые являются составными, выполненными из частей, шарнирно соединенных между собой.
Недостатком прототипа, является то, что отражатель не управляемый, таким образом, невозможно провести полет по заданному маршруту, в том числе нет возможности многоразового использования. Также меридианная сетка ведет к присутствию "электрических уплотнений" по полюсам, иными словами полюса отражают лучше, чем остальная поверхность, что приводит к неоднородности ЭПР (зависимости ЭПР от вертикального угла), т.е. ухудшает характеристики отражателя. При этом нет средств стабилизации, средств отслеживания точного положения отражателя в полете в случае всевозможных вращений вокруг собственного центра, что при неоднородности ЭПР ведет к увеличению погрешности измерений и, соответственно, ухудшению качества оценки работы РЛС. В том числе конструкция прототипа является сложной и дорогой в изготовлении.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей средств оценки качества работы РЛС (в том числе и многопозиционных РЛС) в части многократного повтора экспериментов, обеспечения полета ЭО по заданной программе и, при использовании двух ЭО, оценки разрешающей способности по координатам.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит сферический эталонный отражатель излучения, причем сфера состоит из двух половинок, конструктивно скрепленных между собой, и выполнена из проволоки или трубок расчетного диаметра d в виде сетки с расчетным шагом b по формуле , где p - коэффициент прохождения излучения по мощности в дБ (p<0), λ - длина волны излучения, а в качестве носителя используется беспилотный летательный аппарат (БЛА), расположенный внутри сферы и прикрепленный к ней с помощью торцевых кронштейнов. Все детали, примененные в конструкции ЭО, могут быть выполнены из металла или углепластика.
Заявляемое устройство (см. фиг. 1) расположено на БЛА 1, который осуществляет полет по заданному маршруту и закреплен с помощью кронштейнов 2, болтов и гаек (на фигуре не показаны) внутри эталонного отражателя сферической формы 3, изготовленного из проволоки или трубок малого диаметра в виде двух полусфер, скрепленных между собой по периметру скобами 4, отражающая поверхность которого выполнена в виде сетки так, чтобы, с одной стороны, было обеспеченно прохождение воздушных потоков сквозь сетку, достаточное для полета БЛА, а с другой стороны, экранировался БЛА в заданном диапазоне частот для исключения нестабильности результирующей ЭПР устройства.
Шаг сетки отражающей поверхности - b, а также диаметр прутка или трубки - d, рассчитываются по следующей формуле (1) [8, с. 29]:
где p - коэффициент прохождения излучения по мощности в дБ (р<0), λ - длина волны излучения. Чем меньше р, тем лучше сетка будет аппроксимировать сферу с точки зрения ЭПР. Однако формула (1) дает лишь связь двух параметров (т.е. не два единственных значения, а набор пар соответствующих друг другу значений b и d). Для выбора единственной пары из этого набора необходимо привлекать еще одно уравнение - связь параметров сетки с ее массой. Эту связь, в общем случае не удается описать строго, ввиду сложности геометрии, однако, в нашем случае геометрия поддается аналитическому описанию, и при  - нечетном, вторым уравнением будет:
а при  - четном, вторым уравнением будет:
Здесь {x} - означает взятие целой части от числа x. R - радиус сферического отражателя, М - требуемая масса отражателя, ρ - плотность материала отражателя. Таким образом, решая уравнения (1) и (2а) или (2б), в зависимости от четности отношения), как систему уравнений, получим единственную пару значений b и d.
Все металлические детали, примененные в конструкции отражателя, могут быть также углепластиковыми.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом устройства (фигура), где
1 - беспилотный летательный аппарат (БЛА);
2 - кронштейн;
3 - эталонный отражатель (ЭО);
4 - скоба.
Как сказано выше, изобретение предназначено для экспериментальной оценки характеристик и качества работы РЛС.
Это происходит следующим образом. Исследуемая с помощью заявляемого изобретения РЛС излучает в окружающее пространство электромагнитную волну (ЭМВ) на некоторой частоте. В окружающем пространстве в заданной точке (либо на заданном маршруте) на носителе БЛА 1 находится ЭО 3. Падающая на поверхность ЭО 3 волна разделяется на две составляющих - отраженную от ЭО 3 и отраженную от БЛА 1. Параметры сетки, из которой сделан ЭО 3, должны обеспечить максимальное отражение падающей волны. Так, например, коэффициент прохождения ЭМВ на частоте 170 МГц через сетку с ячейкой 2×2 см и диаметром проволоки 0,8 мм составляет минус 20 дБ [8, с. 29-30]. Это эквивалентно тому, что внутрь сферы попадет около 1% энергии падающей ЭМВ. Отраженная от БЛА составляющая падающей ЭМВ сильно ослабляется по мощности при прохождении сквозь поверхность ЭО 3 и обратно и далее распространяется к приемнику. Отраженная от ЭО 3 составляющая, не претерпев сильного ослабления, также распространяется в направлении приемника. В результате чего энергия суммарной ЭМВ определяется только отражением от ЭО 3, что гарантирует ее стабильность независимо от ракурса облучения.
Имея два ЭО, можно оценить разрешающую способность РЛС по трем координатам. Для оценки разрешающей способности по дальности нужно расположить эталонные отражатели на одной прямой линии с РЛС (т.е. занять две позиции с одинаковым азимутом и углом места) с разными дальностями так, чтобы станция «видела» два объекта, затем начать медленно сводить отражатели уменьшая разницу в дальности до тех пор, пока станция не начнет "видеть" один объект вместо двух. Аналогичным образом оценивается разрешающая способность по остальным координатам (азимуту и углу места).
В настоящее время в организации заявителя разработан и изготовлен опытный образец изобретения и проведены натурные эксперименты, которые показали, что созданная сетчатая сфера достаточно надежно экранирует находящийся внутри БЛА в диапазоне от 150 МГц до 1 ГГц. При этом высота полета достигала 1050 м, а скорость - 43 км/ч. Это позволило оценить энергетический потенциал РЛС, отличие коэффициентов усиления частотных и доплеровских каналов, а также получить экспериментальную зависимость нижней кромки диаграммы направленности антенны от высоты.
Таким образом, за счет выполнения эталонного отражателя в форме сферы, которая состоит из двух половинок, конструктивно скрепленных между собой, и выполнена из проволоки или трубок расчетного диаметра d в виде сетки с расчетным шагом b по формуле , где р - коэффициент прохождения излучения по мощности в дБ (р<0), λ - длина волны излучения, а в качестве носителя используется беспилотный летательный аппарат, расположенный внутри сферы и прикрепленный к ней с помощью торцевых кронштейнов достигается расширение функциональных возможностей средств оценки качества работы РЛС (в том числе и многопозиционных РЛС) в части многократного повтора экспериментов, обеспечения полета ЭО по заданной программе и оценки разрешающей способности по координатам.
Литература
1. Испытания РЛС (оценка характеристик). А.И. Леонов, С.А. Леонов, Ф.В. Нагуленко и др. / Под ред. А.И. Леонова. М.: Радио и связь, 1990, с. 51, 208.
2. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. / Под ред. Колосова М.А. М.: Советское радио. 1972, с. 204-213.
3. Патент РФ №2535661, заявка №2013132148 от 11.07.2013, "Способ калибровки радиолокационной станции по мини-спутнику с эталонным значением эффективной поверхности рассеяния".
4. Патент РФ №2565665, заявка №2014129425 от 17.07.2014, "Устройство для калибровки радиолокационной станции по величине эффективной поверхности рассеяния при проведении динамических измерений радиолокационных характеристик космических и баллистических объектов".
5. Патент РФ №2477495, заявка №2011143179 от 25.10.2011, "Способ калибровки радиолокационной станции по величине эффективной поверхности рассеяния при проведении динамических измерений эффективной поверхности рассеяния исследуемых объектов".
6. Патент РФ №2573420, заявка №2015101574 от 20.01.2015, "Способ калибровки радиолокационной станции с использованием космического аппарата с эталонными отражательными характеристиками".
7. Патент РФ №2396649, заявка №2009110557 от 25.03.2009, "Раскрывающийся сферический отражатель излучения" (прототип).
8. Радиолокационные отражатели, В.О. Кобак. М.: Советское радио. 1975. с. 27, 29, 30.