УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR MEASURING THE EFFECTIVE AREA OF SCATTERING OF RADAR OBJECTS

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).
0
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 повышение мощности сигнала, отражаемого ЛЭР, размер которой ограничен размером зоны измерений, а также увеличение отношения сигнал - фон при измерениях ЭПР.
0
n
Указанная задача и получение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в устройстве для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов, содержащем передающий блок 1, приемный блок 2, соединенный с регистратором 3, опорно-поворотный блок 4, на котором согласно изобретению исходную ЛЭР 6, составленную из М объектов измерения 5 с шагом d, дополняют расположенными параллельно исходной решетке на расстоянии h друг от друга, в плоскости, образованной исходной ЛЭР и осью вращения 7, дополнительными N ЛЭР 8 (фиг. 2), каждая из которых состоит из М объектов измерения с шагом d, который выбирается исходя из соотношения:
n
0
0
d=(1+0,1⋅n)⋅d, при λ≥d≥λ/2
или
n
0
0
d=(1,5-0,1⋅n)⋅d, при d>λ,
где n - порядковый номер дополнительной ЛЭР, n=1, 2, … N; N≈10;
0
d - шаг размещения М объектов измерения в исходной ЛЭР;
h - расстояние между ЛЭР, h≥λ;
λ - длина волны измерительной установки.
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.
Большего числа M объектов в ЛЭР при ограничении на ее размер можно достичь заменой линейной решетки (фиг. 3,а) на двумерную квадратную или прямоугольную решетку (фиг. 3,b). Однако ее диаграмма обратного отражения (ДОО) формируется с высоким, как и у линейной решетки, уровнем боковых лепестков (БЛ), что не способствует увеличению отношения сигнал - фон (фиг. 6,j и f).
Для преодоления данной проблемы воспользуемся известными в теории антенн способами снижения уровня интерференционных и боковых лепестков в диаграмме направленности фазированных антенных решеток (ФАР). Например, в (Ю.В. Кривошеев, В.В. Денисенко, А.В. Шишлов. Подавление интерференционных максимумов в апериодических фазированных антенных решетках, составленных из периодических подрешеток // Антенны. 2011. №2 (165). С. 26-39) рассмотрены способы снижения уровня БЛ в разряженных ФАР за счет неэквидистантного расположения излучателей. Данные способы позволяют уменьшить уровень БЛ множителя антенной решетки до -10…-12 дБ относительно уровня главного лепестка (ГЛ), однако использование их для измерения с заданной точностью ЭПР малоразмерных объектов технически сложно.
Из публикации (Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства. Под ред. проф. B.C. Вербы, проф. А.П. Курочкина. - М.: Радиотехника, 2014, с. 83-89) известно, что для получения множителя ФАР с уровнем БЛ порядка -20 дБ применяется способ строчно-столбового расположения излучателей. Уменьшения уровня БЛ в нем достигают за счет изменения расстояния между излучателями от одной горизонтальной строки к другой, при этом в каждой отдельно взятой горизонтальной строке излучатели располагаются эквидистантно, т.е. образуют ЛЭР (фиг. 3,с). Расстояния выбираются такими, чтобы направления ГЛ от разных горизонтальных строк, а также сопровождающие их БЛ не совпадали. В итоге при наложении диаграмм в пространстве происходит «размытие» интерференционного лепестка множителя ФАР в широком угловом секторе.
БЛ
БЛ
БЛ
БЛ
БЛ
Данный способ применим для обоснования схемы и принципа работы предлагаемого устройства измерения ЭПР объектов. Сравним ДОО двумерных решеток, состоящих в первом случае из ЛЭР с разным шагом (фиг. 3,с) и во втором - с одинаковым (фиг. 3b). Отметим, что уровень БЛ (А) в горизонтальном сечении ДОО уменьшается в N раз исходя из соотношения А≈20 log (1/N), где N - число ЛЭР с разным шагом между объектами. Из соотношения следует, что для обеспечения А=-20 дБ достаточно использовать не менее 10 ЛЭР с разным шагом между измеряемыми объектами. На фиг. 4 приведена зависимость А от числа ЛЭР с разным шагом. Из нее следует, что требование к уровню А=-20 дБ выполняется начиная с N≈10.
БЛ
Для оценки уменьшения А с учетом частичного наложения БЛ был проведен расчет множителя плоской двумерной решетки, состоящей из объектов измерения размерами многим меньше длины волны, по следующей формуле (Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства. Под ред. проф. В.С. Вербы, проф. А.П. Курочкина. - М: Радиотехника, 2014, с. 83-89):
где
- множитель решетки для n-й ЛЭР;
λ - длина волны;
М - число объектов измерения в ЛЭР;
n
m
- координаты фазовых центров объектов в ЛЭР - (kd - изменение шага объектов измерения от n-й ЛЭР к соседней, k - коэффициент отличия шага, n - порядковый номер ЛЭР, при этом фазовый центр каждой ЛЭР находится в точке x=0).
m
m
В процессе вычисления исходили из того, что размеры объектов измерения были многим меньше длина волны λ, а для x проверялось выполнение неравенства x≤L, где L ограничивалось условием (1).
БЛ
0
n
БЛ
БЛ
БЛ
Работоспособность рассматриваемого способа уменьшения А была оценена расчетным путем применительно к решетке из 15 ЛЭР (М=10, l=λ/6 (размер объекта измерения), d=λ; h=λ), где дискретность изменения шага объектов измерения (kd) составляла величину 0,01. На фиг. 5 приведена зависимость А от коэффициента отличия шага k. Из нее следует, что значительное уменьшение А наблюдается при увеличении k до 0,15. Дальнейшее увеличение k не приводит к существенному уменьшению А.
мин
БЛ
0,5
бл
При ограниченных размерах зоны измерения (ограничен линейный размер ЛЭР) представляет интерес минимальное значение коэффициента отличия шага (k), при котором А может иметь предельно низкие значения. Рассмотрим ЛЭР из М объектов измерения, размещенных с шагом d. Предположим, что изменение шага для каждой отдельной ЛЭР в двумерной решетке подчиняется линейному закону. При облучении ее плоским фронтом электромагнитной волны ширину БЛ по уровню вероятности -3 дБ можно оценить как Δθ=λ/dM. При этом угол между осями ГЛ и первого БЛ в горизонтальном сечении ДОО равен θ=λ/d.
мин
Минимальный коэффициент отличия k шага d в двух соседних ЛЭР можно найти исходя из условия, что:
(λ/d)-(λ/kd)=λ/dM,
мин
откуда имеем k=М/(М-1)≈(1/M).
мин
Из приведенных в (Ю.Д. Кривошеев, В.В. Денисенко, А.В. Шишлов. Подавление интерференционных максимумов в апериодических фазированных антенных решетках, составленных из периодических подрешеток // Антенны. 2011. №2 (165). С. 32) результатов следует, что минимальный коэффициент отличия (приращения) шага k≈1,1, т.е. абсолютное приращение шага от одной ЛЭР к другой составляет ≈ 0,1 шага. При одинаковом числе объектов измерения М=10 в каждой ЛЭР, за счет их сдвигов относительно друг друга обеспечивается наложение в противофазе БЛ ДОО ЛЭР, что в итоге приводит к их «расфазировке». Оптимизация геометрии плоской двумерной решетки, построенной на основе приведенных доводов, показывает, что изменение шага объектов измерения в двух соседних ЛЭР на 10% обеспечивает снижение уровня боковых лепестков ниже -20 дБ.
0
n
Таким образом, известный в теории антенн подход применим для предлагаемого устройства измерения с заданной точностью сверхмалых уровней ЭПР объектов. Рассмотрим варианты дополнения исходной ЛЭР до плоской двумерной решетки дополнительными 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 исключения взаимного влияния объектов шаг ЛЭР устанавливают исходя из условия d≥λ/2, т.е. минимальный шаг исходной ЛЭР (d) или дополнительной ЛЭР (d) равен λ/2.
Предлагается два варианта построения плоской двумерной решетки для устройства измерения ЭПР радиолокационных объектов.
0
n
0
n
0
1-й вариант: если λ>d≥λ/2, дополнительные N≈10, ЛЭР формируются с шагом d в ходе последовательного приращения шага d на коэффициент k=(1+0,1⋅n), т.е. d=(1+0,1⋅n)⋅d, где n - порядковый номер дополнительной ЛЭР, n=1, 2, … Ν;
0
n
0
n
0
2-й вариант: если d≥λ, дополнительные Ν≈10, ЛЭР формируются с шагом d в ходе последовательного сокращения шага d на коэффициент k=(1,5-0,1⋅n), т.е. d=(1,5-0,1⋅n)⋅d, где n - порядковый номер дополнительной ЛЭР, n=1, 2, … N.
Для обоих вариантов исходную ЛЭР дополняют параллельными с ней дополнительными N ЛЭР, на одинаковом между ними расстоянии h. Расстояние h выбирается таким, чтобы коэффициент направленного действия двумерной решетки оставался максимальным: h≈0,96⋅λ (Ковалев С.В., Нестеров С.М., Скородумов И.А. // РЭ, 1995. Т. 140. №9. C. 1346). Для выполнения условия (1) можно допустить, что h≥λ. Вариант предлагаемой плоской двумерной решетки приведен на фиг. 3,с.
0
n,
Принцип действия устройства основывается на следующем. Составленная из идентичных объектов измерения двумерная решетка, содержащая исходную с шагом d и N дополнительных ЛЭР с разным шагом d помещается в радиолокационное поле под углом к измерительной установке (фиг. 2):
где λ - длина волны;
n
n
d - шаг n-й дополнительной ЛЭР d;
i
θ - угол падения излученной передатчиком электромагнитной волны на плоскость двумерной решетки;
s
θ - угол отражения электромагнитной волны от решетки в направлении приемника;
n=1, 2, … N; N≈10;
θ - угол между нормалью к решетке и биссектрисой угла разноса приемной и передающей антенн.
Рассеянную решеткой под углом θ=0 град мощность определяют путем сравнения с эталоном ее ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением измеренной величины на число элементов в решетке, возведенное в квадрат.
n
Использование N дополнительных ЛЭР с разным шагом d, составленных с исходной ЛЭР в плоскую двумерную решетку, позволяет в направлениях, задаваемых выражением (2), за счет сдвигов БЛ ДОО каждой отдельной ЛЭР относительно друг друга произвести их сложение в противофазе, благодаря чему уменьшить амплитуду рассеянных отдельными объектами полей в угловом секторе, прилегающем к ГЛ ДОО. Одновременно при θ=0 град за счет синфазного сложения ГЛ ДОО N ЛЭР увеличить полезный сигнал, рассеянный объектами измерения до величины, превышающей 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 эффективной площади рассеяния радиолокационных объектов работает следующим образом. Плоскую двумерную решетку из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов измерения размещают в радиолокационном поле и вращают вокруг ее вертикальной оси так, что нормаль к оси вращения и к исходной ЛЭР, 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 двумерной решетке, составленной из исходной и N дополнительных ЛЭР и через приемный блок регистрируются регистратором.
0
При рассеянии радиоволн на исследуемых объектах в исходной (d) и N дополнительных ЛЭР 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 sinθ;
а суммарная составит:
i
s
n
i
s
Δ+Δ=d (sinθ+sinθ).
Если при этом разность фаз составит целое число периодов, т.е.:
n
i
s
d (sinθ+sinθ)=nλ,
2
2
2
i
0
1
2
n
то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал в направлении θ увеличивается по мощности в М раз. При d≥λ/2 в ДОО n-й ЛЭР формируется больше одного главного дифракционного лепестка (ГЛ-1, ГЛ-2 и т.д.). Кроме того, при выполнении этого условия влияние переотражений между объектами на ЭПР ГЛ решетки мало, и она близка к ЭПР уединенного объекта σ, умноженной на число объектов в квадрате (М). Так как d≠d≠d≠ … ≠d, то отраженные сигналы в направлениях θ ГЛ разных 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 в направлении ГЛ исходной и N дополнительных ЛЭР складываются синфазно, и полезный сигнал увеличивается по мощности в ((Ν+1)×M) раз. Таким образом, используя двумерную решетку, составленную из идентичных объектов измерения, размещенных в отдельных ЛЭР с разным шагом, можно измерить ЭПР исследуемых объектов с уровнем, меньшим уровня фоновых отражений.
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 формировались модели линейной, прямоугольной, а также плоской двумерной решетки (фиг. 3,а, b, с), состоящей из одинаковых объектов измерения в виде проводящих микросфер размерами l, включающей в себя исходную ЛЭР и 10 дополнительных со следующими параметрами:
0
n
M=10, l=λ/6, d=λ; h=λ, d=(1,5-0,1⋅n)⋅λ, где n - порядковый номер дополнительной ЛЭР, n=1, 2, … 10.
Длина волны (λ) радиоизлучения составляла - 3,1 см. Результаты математического моделирования приведены на фиг. 6.
Рассчитанные ДОО исходной ЛЭР (фиг. 3,а), двумерной прямоугольной решетки из 11 ЛЭР с одинаковым шагом между объектами (фиг. 3,b), а также предложенной двумерной решетки, состоящей из исходной и 10 дополнительных ЛЭР с тем же числом объектов измерения, но размещенных с разным шагом (фиг. 3,с) - представлены соответственно на фиг. 6,j, f, g.
Особенностью предлагаемого устройства измерения ЭПР объектов от прототипа является то, что измеряемой величиной является значение уровня ГЛ, т.е. отражения по нормали к плоскости двумерной решетки. Только в окрестностях ГЛ, согласно представленным доводам, в широком секторе углов можно обеспечить «размытие» БЛ, тем самым увеличить отношение сигнал - фон. Учитывая данный факт, для уменьшения фоновых отражений предлагается плоскую основу двумерной решетки, на которую крепятся объекты измерений, выполнять в виде плоскопараллельной диэлектрической пластины с толщиной, кратной четверти длины волны измерительной установки, или в виде пластины радиопоглощающего материала с радиофизическими характеристиками, обеспечивающими коэффициент отражения по нормали не хуже -25 дБ. В качестве РПМ подходят материалы типа АЛВУ-4, ВРП-4, Лист-51 или их аналоги. На фиг. 7 приведены измеренные на длине волны 3,1 см ДОО пластин размером 70×70 см из вспененного фреонома (пенопласта) типа ПЭ-6 (фиг. 7,w) и РПМ типа ВРП-4 (фиг. 7,z). Уровни s и t соответствуют медианным значениям ЭПР пластин в секторе 0±30°. Анализ ДОО показывает, что отражения по нормали к пластинам не ухудшат прогнозируемые (расчетные) максимальные значения уровня ГЛ (область s-t на фиг. 6).
Анализ полученных результатов (фиг. 6) показал, что превышение полезного сигнала над фоновыми отражениями (уровень первых боковых лепестков) в первом случае составляет - 19,3 дБ, во втором - 35,6 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 погрешности измерений с 1,2 дБ до 0,4 дБ.
Технический результат достигнут: повышена мощность сигнала, отражаемого эквидистантной решеткой, размер которой ограничен размером зоны измерений, и увеличено отношение сигнал - фон.
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, поскольку заключается в замене одной решетки на другую или в изменении шага размещения объектов измерения в одной и той же решетке.