РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
RADIO-MEASURING UNIT FOR MEASURING RADAR CROSS-SECTION OF OBJECTS

Изобретение относится к технике измерения радиолокационных характеристик объектов в безэховых камерах и может быть применено для измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) объектов в ближней зоне приемо-передающей антенны.
В соответствии с определением ЭПР, главным условием ее однозначного измерения является однородное фазовое и амплитудное распределения во фронте электромагнитного поля (ЭМП), падающего на объект [1]. При измерении ЭПР в ближней зоне антенны применяют коллиматорные приемо-передающие антенны, которые обеспечивают однородное фазовое распределение во фронте ЭМП на апертуре антенны [2] и ближней зоне. Коллиматор антенны облучается излучателем с диаграммой направленности со спадающей амплитудой от его электрической оси, однородное амплитудное распределение может быть условно достигнуто только при некоторой допустимой неоднородности амплитуды во фронте ЭМП, которая приводит к погрешностям измерения.
Известен коллиматор, выполненный в виде диэлектрической линзы с внутренней преломляющей поверхностью [2]. Линза, выравнивая фазовое распределение фронта ЭМП на площади ее апертуры, увеличивает неоднородность амплитудного распределения, которая обусловлена диаграммой направленности облучателя, из-за расширения элементарных пучков лучей к ее краям, из-за разных углов преломления пучков. При этом площадь условно однородного по амплитуде фронта ЭМП, с допустимой погрешностью, оказывается не более четверти площади апертуры линзы.
Малая площадь условно плоского ЭМП и погрешности измерения являются недостатками диэлектрической линзы с внутренней преломляющей поверхностью.
Известен одноантенный измеритель поляризационной матрицы рассеяния ее комплексных элементов: модулей-ЭПР и аргументов-фаз в ближней зоне приемо-передающей антенны, принятый за прототип изобретения [3]. Измеритель содержит: передатчик высокой частоты (ВЧ), поляризатор, направленный разделитель поляризаций с ортогональными Е и Н боковыми плечами, две комплексные переменные нагрузки, два амплифазометра и коллиматорную приемо-передающую антенну. Выход передатчика соединен с входами опорных сигналов амплифазометров и с входом поляризатора, выход которого соединен с входом основного плеча направленного разделителя поляризаций, кроме того, выход разделителя поляризаций соединен с входом приемо-передающей антенны. Ненаправленные выходы Е и Н боковых плеч разделителя поляризаций соединены с переменными нагрузками, направленные выходы Е и Н боковых плеч разделителя поляризаций соединены с сигнальными входами соответствующих амплифазометров. Приемо-передающая антенна выполнена линзовой, и линза выполнена с внешней преломляющей поверхностью. При этом площадь условно однородного по амплитуде фронта ЭМП, с допустимой погрешностью, оказывается не более половины площади апертуры линзы, а амплитудная неоднородность приводит к погрешностям измерения ЭПР объектов, что и является недостатком прототипа.
Общими признаками прототипа изобретения являются: генератор, приемник и приемо-передающая антенна.
При одинаковых площадях апертур антенн прототипа и изобретения, потенциале установок и чувствительности приемников, техническим результатом изобретения является увеличение площади однородного по фазе и амплитуде фронта ЭМП на апертуре приемо-передающей антенны до площади ее апертуры, которая выполнена в виде фазированной антенной решетки (ФАР) и, как следствие, возможность измерения ЭПР объектов больших размеров с большей точностью и сокращения в два раза продольных размеров радиоизмерительной установки за счет отсутствия у ФАР фокусного расстояния.
ФАР называется антенное устройство, состоящее из N каналов излучателей (N от нескольких единиц до нескольких тысяч), каждый из которых способен излучать в пространство и принимать из него радиосигналы [4].
По изобретению ФАР выполнена в виде плоской квадратной или прямоугольной фазированной N-канальной антенной решетки, содержащей: √N+1 разветвителей, N ответвителей, N управляемых аттенюаторов, N управляемых фазовращателей, N излучателей, смеситель и блок настройки.
В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, в ближней зоне (зоне Френеля) плоской ФАР формируется однородный по амплитуде и фазе фронт ЭМП, площадью равный площади ее апертуры.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиоизмерительной установки по изобретению.
На фиг. 2 представлен вид на апертуру плоской девятиканальной ФАР.
На фиг. 3 представлена структурная схема блока настройки ФАР.
На фигурах введены обозначения: 1 - генератор сигналов опорной частоты (ГО); 2 - первый смеситель (1 См); 3 - генератор сигналов высокой частоты (Г); 4 - фильтр сигналов высокой частоты (ФВЧ); 5 - генератор прямоугольных импульсов (ГИ); 6 - импульсный модулятор (ИМ); 7 - усилитель ВЧ мощности (УМ); 8 - циркулятор (Ц); 9 - второй смеситель (2 См); 10 - приемник (Пк); 11 - разветвитель системы разветвителей; 12 - ответвитель (От); 13 - аттенюатор (Ат); 14 - фазовращатель (ФВ); 15 - излучатель каналов; 16 - третий смеситель (3 См); 17 - блок настройки (БН); 18 - амплитудный детектор (АД); 19 - первый аналого-цифровой преобразователь (1АЦП); 20 - фазовый детектор (ФД); 21 - второй аналого-цифровой преобразователь (2 АЦП); первый электронно-управляемый коммутатор (1 КА) 22 сигналов с выходов 1 АЦП; второй электронно-управляемый коммутатор (2 КФ) 23 сигналов с выходов 2АЦП; 24 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ); 25 - первый цифроаналоговый преобразователь (1 ЦАП) сигналов с первого сигнального выхода ЭВМ; 26 - второй цифроаналоговый преобразователь (2 ЦАП) сигналов со второго сигнального выхода ЭВМ; 27 - третий электронно-управляемый коммутатор (3 КФ) сигналами с выхода первого 1 ЦАП 25; 28 - четвертый электронно-управляемый коммутатор (4 КФ) сигналами с выхода второго 2 ЦАП 26.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что радиоизмерительная установка для измерения эффективной поверхности рассеяния объектов содержит: генератор опорной частоты (ГО) 1; первый 2, второй 9 и третий 16 смесители (1 См, 2 См, 3 См); генератор (Г) 3; фильтр высокой частоты (ФВЧ) 4; генератор импульсов (ГИ) 5; импульсный модулятор (ИМ) 6; усилитель мощности (УМ) 7; циркулятор (Ц) 8; приемник (Пк) 10; √N+1 разветвителей 11 системы разветвителей на 9 каналов; N ответвителей (От) 12; N аттенюаторов (Ат) 13; N фазовращателей (ФВ) 14; N излучателей каналов 15; блок настройки (БН) 17.
Генератор сигнала опорной частоты f (ГО) 1 выполнен стабилизированным с частотой сигнала (МГц), равной промежуточной частоте радиоизмерительной установки.
Первый смеситель (1 См) 2 предназначен для преобразования сигнала генератора (Г) 3, с частотой F (ГГц), и сигнала опорного генератора 1, с частотой f (МГц), в частоту F+f (ГГц) зондирующего сигнала.
Второй (2 См) 9 и третий (3 См) 16 смесители предназначены для преобразования частоты зондирующего сигнала F+f в промежуточную частоту f, которая равна частоте сигнала ГО 1.
Генератор (Г) 3 выполнен с возможностью формирования высокочастотных электрических монохроматических колебаний F (ГГц).
Фильтр высокой частоты (ФВЧ) 4 предназначен для фильтрации частоты F+f, образованной на выходе первого смесителя (1 См) 2.
Генератор импульсов (ГИ) 5 предназначен для генерации коротких прямоугольных импульсов, доли мкс, со скважностью больше времени t, необходимого для прохождения зондирующим импульсом расстояния от апертуры ФАР до объекта измерения и обратно.
Импульсный модулятор (ИМ) 6 предназначен для модуляции усилителя мощности (УМ) 7 сигнала с частотой F+f короткими прямоугольными импульсами.
Усилитель мощности (УМ) 7 сигнала высокой частоты установки может быть выполнен на лампе бегущей волны.
Циркулятор 8 предназначен для разделения излучаемых зондирующих импульсов и импульсов, отраженных от измеряемого объекта. Циркулятор (Ц) 8 - устройство, которое обеспечивает движение радиосигнала в ту или другую сторону [4], состоит из разветвленного волноводного сочленения и цилиндрического феррита, при этом феррит находится под воздействием внешнего магнитного поля.
Приемник (Пк) 10 служит для приема и регистрации сигнала, отраженного от измеряемого объекта.
Система разветвителей содержит четыре (√N+1) разветвителя 11 при N, равном 9, каждый разветвитель имеет три (√N) разветвления - выхода.
Ответвитель каждого канала (От) 12 имеет вход сигнала и два выхода и может быть выполнен направленным, предназначен для ответвления на второй выход части мощности (например, -10 дБ). Второй выход От 12 включен в замкнутую цепь с обратной связью регулирования амплитуды и фазы зондирующего сигнала в излучателе 15.
Аттенюаторы каналов (Ат) 13 предназначены для выравнивания амплитуд сигналов в раскрывах излучателей 15.
Фазовращатели (ФВ) 14 предназначены для выравнивания фаз сигналов в раскрывах излучателей 15.
Излучатели 15 каналов могут быть выполнены, например, в виде волноводного рупора с широкой диаграммой направленности.
Блок настройки (БН) 17 предназначен для настройки на апертуре ФАР однородного по амплитуде и фазе плоского фронта ЭМП, путем выравнивая в раскрывах излучателей амплитуд и фаз излучений. БН 17 имеет вход сигнала генератора ГО 1, N входов сигналов с выходов ответвителей каналов От 12, N выходов сигналов управления аттенюаторами Ат 13 и N выходов сигналов управления фазовращателями ФВ 14. В БН 17 входят: N амплитудных детекторов (АД) 18; N первых аналого-цифровых преобразователей (1 АЦП) 19 сигналов с выходов АД 18; N фазовых детекторов (ФД) 20; N вторых аналого-цифровых преобразователей 2АЦП 21 сигналов с выходов ФД 21; первый электронно-управляемый коммутатор (1 КА) 22 сигналами с выходов АЦП 19; второй электронно-управляемый коммутатор (2 КФ) 23 сигналами с выходов АЦП 21; электронно-вычислительная машина (ЭВМ) 24; первый цифроаналоговый преобразователь (1 ЦАП) 25 сигналов с первого сигнального выхода ЭВМ; второй цифроаналоговый преобразователь (2 ЦАП) 26 сигналов со второго сигнального выхода ЭВМ; третий электронно-управляемый коммутатор (3 КФ) 27 сигналами с выхода первого 1 ЦАП 25; четвертый электронно-управляемый коммутатор (4 КФ) 28 сигналами с выхода второго 2 ЦАП 26.
ЭВМ 24 может быть выполнена в виде персонального компьютера и имеет два входа (порта) для сигналов с выходов первого 1 КА 22 и второго и 2 КФ 23 коммутаторов и два выхода этих сигналов, соединенные с соответствующими входами первого 1 ЦАП 25 и второго 2 ЦАП 26. ЭВМ имеет два выхода сигналов управления, синхронно управляющие работой четырех коммутаторов 1 КА 22, 2 КФ 23, 3 КА 27 и 4 КФ 28.
Первые коммутаторы 22 и 23 сигналов АД 18 и сигналов ФД 20 предназначены для коммутации N сигналов на их входах в последовательность N сигналов на их выходах.
Вторые коммутаторы 27 и 28 сигналов с первого 1 ЦАП 25 и второго 2 ЦАП 26 предназначены для коммутации последовательности N сигналов на их входах в параллельные сигналы на N выходах коммутаторов 27 и 28.
Канал каждого излучателя 15, ответвитель 12, смеситель 3 См 16, амплитудный детектор 18 или фазовый детектор 20, АЦП 19 или АЦП 21, коммутатор 22 или коммутатор 23, ЭВМ 24, ЦАП 25 или ЦАП 26, коммутатор 27 или коммутатор 28, аттенюатор 13 или фазовращатель 14 образуют замкнутую цепь с обратной связью регулирования амплитуд или фаз сигналов во всех каналах.
Алгоритм настройки ФАР и работа установки
1. Включают питание всех активных блоков радиоизмерительной установки.
2. В каналах излучателей ФАР возникают сигналы, которые излучаются в пространство в виде зондирующих импульсов радиосигнала.
3. Сигналы с выходов N смесителей 3 См 16 поступают в БН 17 на N входов амплитудных (АД) 18 и N входов фазовых детекторов (20), каждый из которых последовательно соединен со своим аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 19 и (АЦП) 21. Кроме того, сигнал с выхода ГО 1 подают на гетеродинные входы всех ФД 20.
4. С выходов АЦП 19 и АЦП 21 сигналы поступают на соответствующие входы первого (1 ПКА) 22 и второго (2 ПКФ) 23 коммутаторов.
5. В соответствии с программой работы, управляющий сигнал ЭВМ последовательно подключает выходы коммутаторов 1 КПА 22 и 2 КПФ 23, через ЭВМ и (АЦП) 19 и (АЦП) 21, к входам третьего и четвертого коммутаторов амплитуд (3 ПКА) 27 и фаз (4 ПКФ) 28.
6. В соответствии с программой работы ЭВМ, в интервалы времени между сигналами каждого канала, поступившими в ЭВМ, она измеряет амплитуды и фазы сигналов и запоминает их.
7. В соответствии с программой работы, ЭВМ выбирает канал с наименьшей амплитудой и средней фазой, и, с помощью аттенюаторов 13 и фазовращателей 14, по замкнутой цепи с обратной связью, выравнивают амплитуды сигналов в каналах по наименьшей амплитуде и средней фазе.
После чего все излучатели излучают синфазно с одинаковыми амплитудами ЭМП, поэтому, в соответствии с принципом Гюйгенса -Френеля, в ближней зоне ФАР формируется однородное по амплитуде и фазе ЭМП. Отключают ЭВМ.
8. Опору, с размещенном на ней объектом измерения, помещают в ближней зоне ФАР на расстоянии L от ее апертуры. Размеры объекта не должны превышать размеров апертуры ФАР.
Передатчик радиоизмерительной установки генерирует зондирующие сигналы частотой F+f в виде коротких радиоимпульсов длительностью τ, доли мкс, с паузами - скважностью (Т), которая зависит от расстояния L.
9. Облучают объект зондирующими сигналами.
Для обеспечения работы установки длительность скважности и радиоимпульсов должна удовлетворять неравенствам:
где с - скорость света.
За время скважности Т приемником 10 осуществляется прием отраженных от объекта радиоимпульсов.
10. С помощью приемника 10 измеряют и регистрируют мощность сигнала отраженного от объекта, после чего его снимают с опоры. На опору помещают эталонный отражатель, с известным значением ЭПР, измеряют и регистрируют мощность сигнала, отраженного от эталона.
об
ЭПР измеряемого объекта σ определяют по формуле (2):
об
где σ - ЭПР измеряемого объекта;
эт
σ - ЭПР эталона;
Роб - мощность сигнала, отраженного от объекта;
Рэт - мощность сигнала, отраженного от эталона.
Технический результат изобретения достигнут - увеличена площадь однородного по фазе и амплитуде фронта ЭМП до площади апертуры ФАР, позволяющая измерять объекты больших размеров, по сравнению с апертурой антенны прототипа одинаковой площади, и увеличена точность измерения ЭПР за счет однородного ЭМП в ближней зоне ФАР.
Отличительные признаки изобретения
Приемо-передающая антенна выполнена в виде плоской фазированной антенной решетки с N каналами.
Введены: генератор сигналов опорной частоты, первый, второй и третий смесители, фильтр высокой частоты, генератор импульсов, импульсный модулятор, усилитель мощности, циркулятор, система из √N+1 разветвителей, каждый разветвитель имеет √n выходов, N ответвителей с двумя выходами, N аттенюаторов, N фазовращателей, N излучателей каналов, блок настройки фазированной антенной решетки, который имеет N входов сигналов с выходов третьих смесителей, N первых выходов сигналов управления аттенюаторами и N вторых выходов сигналов управления фазовращателями.
Выход генератора сигналов опорной частоты соединен с гетеродинными входами: первого, второго и третьего смесителей и входом гетеродинного сигнала блока настройки, сигнальный вход первого смесителя соединен с выходом генератора, а выход первого смесителя соединен с входом фильтра высокой частоты.
Выход генератора соединен с гетеродинными входами второго и третьего смесителей, выход фильтра высокой частоты соединен с сигнальным входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом циркулятора, выход-вход циркулятора соединен с входом первого разветвителя системы из √N+1 разветвителей, выходы первого разветвителя соединены с входами других √N разветвителей, выходы которых образуют N каналов фазированной антенной решетки.
В каждом канале включены последовательно: ответвитель, аттенюатор, фазовращатель и излучатель, причем вторые выходы ответвителей соединены с сигнальными входами третьих смесителей, выходы которых соединены с входами блока настройки, первые N выходов которого соединены с входами управляющих сигналов аттенюаторов, а вторые N выходов соединены с входами управляющих сигналов фазовращателей.
Выход циркулятора соединен с сигнальным входом второго смесителя, выход которого соединен с входом приемника, причем генератор импульсов, импульсный модулятор и вход модулирующего сигнала усилителя мощности соединены последовательно.
Литература
1. Дж.Р. Менцер. Дифракция и рассеяние радиоволн. м.: Сов. Радио, 1958.
2. Е.Н. Майзельс, В.А. Торгованов. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. радио, 1972, с. 59, рис. 3.1.а.
3. Г.Г. Валеев. «Одноантенный измеритель поляризационной матрицы». Патент РФ №2352952, МПК G01R 29/08, 2007.
4. Карташкин А.С. «Радионаблюдение воздушных объектов». М.: РадиоСофт, 2014.