УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ
APPARATUS FOR MEASURING RADAR CROSS-SECTION OF RADAR OBJECTS

Заявляемое изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов радиолокации, соизмеримых или 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 эталонным отражателем (Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: «Сов. радио», 1972, с. 166-174). Однако данный способ не позволяет измерять ЭПР, когда мощность рассеянного объектами сигнала меньше мощности фоновых отражений, т.е. ЭПР исследуемого объекта меньше ЭПР фона.
Существуют способы и устройства, которые решают 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 (патент RU 2081426 С1, кл. G01R 29/10, 10.06.1997 г., Бюл. №16 - прототип).
Конструкция прототипа проиллюстрирована на фиг. 1. Устройство содержит передающий блок 1, приемный блок 2, регистратор 3, датчик угла поворота 4, опорно-поворотный блок 5 с закрепленной на нем ЛЭР из одинаковых и одинаково ориентированных радиолокационных объектов 6, при этом нормаль к решетке () и нормали к плоским фронтам излученной передающим блоком и отраженной от решетки электромагнитной волны лежат в одной плоскости локации.
Устройство работает следующим образом.
Задают вращение ЛЭР в плоскости локации вокруг оси 7 и регистрируют отраженные радиоволны под углом
где λ - длина волны;
d - шаг ЛЭР;
i
θ - угол между  и направлением падения излученной электромагнитной волны;
i
θ - угол между  и направлением на приемник;
k - целое число;
θ - угол между  и биссектрисой угла разноса.
i
s
ГЛ
Если разность хода волн, падающих на соседние объекты и рассеянных ими, составляет целое число длин волн, т.е. d(sinθ+sinθ)=kλ то амплитуды полей, рассеянных от всех объектов измерения, складываются, и полезный сигнал по мощности в направлениях (θ=θ, где sinθ=0) увеличивается до умноженной на квадрат числа объектов отраженной мощности уединенного объекта. Зарегистрированную в этих направлениях мощность переводят в единицы ЭПР путем сравнения с мощностью эталона ЭПР, а затем вычисляют ЭПР одного объекта делением полученного значения на число объектов ЛЭР в квадрате.
Достоинством данного устройства является обеспечение возможности измерений ЭПР объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны. Требуемый для измерения ЭПР уровень превышения мощности отраженного сигнала над фоном достигается путем увеличения числа объектов в решетке. Точность измерений ЭПР определяется отношением уровня главных лепестков (ГЛ) функции ЭПР решетки от угла локации к уровню боковых лепестков (БЛ).
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 линейные размеры будут превышать размеры зоны измерения.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения сверхмалых значений ЭПР радиолокационных объектов, размер которых соизмерим и меньше длины волны.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является увеличение отношения сигнал-фон при измерениях ЭПР радиолокационных объектов с помощью решеток в условиях ограничения размеров зоны измерений.
2
Рассмотрим ЛЭР, составленную из N одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов с шагом λ, размер которой равен размеру рабочей зоны измерений. Пусть объекты решетки имеют столь малые уровни ЭПР, что для их оценки требуется решетка из порядка N объектов. Размер такой ЛЭР существенно превысит размер рабочей зоны измерений.
i
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 δ измерений ЭПР в направлении максимального отражения от отношения размера зоны измерений к размеру ЛЭР:
где
π=3,1415926;
L - размер ЛЭР;
R - дальность локации;
0,5
θ - ширина гауссовской диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности;
0,5
R θ - размер зоны измерений.
Из (1) следует, что увеличение мощности максимального отражения ЛЭР за счет существенного увеличения ее размера приводит к неприемлемым ошибкам измерения сверхмалых значений ЭПР одиночного объекта решетки.
При ограничении на размер ЛЭР разместить большее количество объектов можно, используя вертикальный размер зоны измерений и устанавливая параллельно несколько одинаковых ЛЭР (фиг. 2) в плоскости, ортогональной к плоскости локации.
Упрощая дальнейшие рассуждения без ограничения общности решаемой задачи, ниже будем рассматривать обратное отражение от решетки.
Угловая диаграмма обратного отражения (ДОО) нескольких одинаковых параллельных ЛЭР, середины которых лежат на оси вращения 7, имеет тот же высокий уровень БЛ, как и ДОО одиночной ЛЭР (кривая s на фиг. 8), что не способствует увеличению отношения полезный сигнал-фон.
Для увеличения этого отношения воспользуемся техническим решением, известным из области проектирования антенных решеток, где низкий уровень БЛ диаграммы направленности (ДН) обеспечивается за счет кольцевого расположения излучающих элементов (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М., Сов. радио, 1966, с. 238).
Уровень БЛ ДН таких антенных решеток определяют параметры расположения излучателей: количество колец, волновые размеры их радиусов и интервалов между ними, а также число и расположение излучателей на каждом кольце.
На практике чаще всего применяется расположение излучателей на концентрических кольцах в плоскости. ДН решетки из таких колец, каждое из которых состоит из большого числа эквидистантно расположенных изотропных элементов, может формироваться за счет их синфазного возбуждения с одинаковой амплитудой. ДН указанной решетки аналогична ДН круглого раскрыва с известной оптимальной формой для заданного уровня БЛ в приближении по Тейлору (Taylor Т.Т. Design of circular aperturis for narrow beamwith and low sidelobes. IRE Trans. on Ant. and Prop., Jan. 1960, v. AP-8, №l, p. 17).
Одной из характеристик решетки является плотность распределения ее элементов, определяемая расстоянием между кольцами и между элементами каждого кольца. Изменяя плотность распределения элементов, можно существенным образом изменить форму ДН, как в случае неэквидистантных решеток. При этом путем уменьшения плотности распределения элементов от середины к краям можно существенно сократить общее число элементов при сохранении почти неизменной ширины ГЛ ДН и заданного уровня БЛ.
Закон изменения плотности излучателей может быть задан различными функциями. Наиболее простая закономерность получается, если элементы решетки располагать в точках пересечения концентрических окружностей с радиусами, исходящими из их центра. Плотность распределения элементов такой решетки уменьшается к краям обратно пропорционально радиусам колец и определяется интервалом между кольцами.
2
Разместим в решетке вместо излучателей радиолокационные объекты как изотропно рассеивающие элементы, предполагая эквивалентность ДН и ДОО. Отталкиваясь от равенства площадей квадратной и круговой апертуры с N объектами
2
2
[(N-1)λ]=πR,
находим радиус R внешней концентрической окружности 8 (фиг. 3)
Радиусы r последующих уменьшающихся окружностей 9 выбираются таким образом, чтобы изменение плотности распределения радиолокационных объектов соответствовало закону распределения амплитуд в круглом раскрыве по Тейлору с обратно пропорциональном радиусу спадом плотности распределения объектов.
На фиг. 4 приведена в виде гистограммы зависимость радиуса в длинах волн от номера кольца, которая получена в результате расчета оптимальной диаграммы направленности многокольцевой решетки с 28 кольцами и 36 элементами (объектами) в каждом кольце (Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Сов. радио, 1966, с. 254-257), а также график (пунктир) ее линейной аппроксимации.
Из приведенной зависимости следует, что для обеспечения уменьшенного среднего уровня БЛ интервалы между соседними концентрическими окружностями должны быть порядка 0,9λ.
На фиг. 5 приведена схема предлагаемого устройства для измерения ЭПР радиолокационных объектов.
2
2
В отличие от известного устройства с ЛЭР из N одинаковых и одинаково ориентированных измеряемых радиолокационных объектов с расстоянием между ними λ, нормаль к которой лежит в плоскости локации, образованной нормалями к плоским фронтам излученной передающим блоком и отраженной от решетки волны, а середина ЛЭР лежит на оси вращения опорно-поворотного блока, количество объектов решетки, согласно изобретения, увеличивают до N, если N - четное, или (N-1), если N - нечетное, размещают их в плоскости, ортогональной плоскости локации, в точках пересечения концентрических окружностей с радиусами, исходящими из их центра, которым является точка пересечения оси вращения опорно-поворотного блока с плоскостью локации, на каждой окружности эквидистантно располагаются 2N объектов, если N - четное, или 2(N-1) объектов, если N - нечетное, всего окружностей , если N - четное, или  если N - нечетное, радиусы окружностей отличаются на 0,9λ, радиус внешней окружности равен
Устройство работает следующим образом.
В отличие от локации параллельно расположенных в вертикальной плоскости нескольких одинаковых ЛЭР (далее - набор ЛЭР), вращающихся вокруг оси 7, которые формируют ГЛ ДОО в нескольких направлениях и имеют высокий относительно ГЛ уровень БЛ порядка -14 дБ (кривая s на фиг. 8), - в предлагаемом устройстве амплитуды рассеянных объектами полей складываются синфазно в одном направлении по нормали к решетке, формируя ГЛ ДОО, максимум которого равен ЭПР уединенного объекта, умноженной на число объектов в квадрате. В других направлениях происходит «размывание» интерференционного лепестка множителя решетки и как итог - уменьшение уровня БЛ в широком секторе углов (кривая ƒ на фиг. 8).
Зарегистрированную мощность, рассеянную решеткой по нормали, переводят в единицы ЭПР путем сравнения с мощностью эталона ЭПР, а затем вычисляют ЭПР исследуемого объекта делением полученного значения на число объектов в квадрате.
Снижение уровня БЛ в ДОО предложенной решетки в сравнении с уровнем БЛ ДОО соизмеримого по площади набора ЛЭР обеспечивает увеличение полезного сигнала над фоновыми отражениями и как итог - повышение точности измерения ЭПР радиолокационных объектов при ограниченных размерах зоны измерений.
Проверка предлагаемого технического решения проведена на основе численного электродинамического моделирования с помощью программы CST (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015, с. 126-136.). Для этого использовались следующие исходные данные:
длина волны (λ) радиоизлучения - 3,1 см,
-5
2
устройство с набором из 6-ти одинаковых ЛЭР, в каждой из которых размешены 6 одинаковых проводящих микросфер с уровнями ЭПР 10 м, шаг между сферами и ЛЭР d равнялся λ (фиг.6),
1
2
3
предлагаемое устройство с круговой решеткой, равной с прототипом площади, составленная из 36 аналогичных микросфер, размещенных в точках пересечения трех концентрических окружностей с радиусами r=λ, r=1,9λ и r=2,8λ, исходящими из их центра (фиг. 7).
Результаты математического моделирования приведены на фиг. 8 в виде графиков, рассчитанных для сектора углов 0±30° ДОО решеток (s - набор ЛЭР, ƒ - предлагаемая решетка).
Учитывая, что измеряемой величиной выступает значение уровня ГЛ ДОО, формируемого по нормали к решетке, для уменьшения сопутствующих фоновых отражений предлагается в качестве основы для решетки использовать пластину из радиопоглощающего материала с коэффициентом отражения по нормали не хуже -25 дБ. На фиг. 8 приведена оценка уровня отражений (уровень g) пластины размерами 7λ×7λ из радиопоглощающего материала типа ВРП-4 на длине волны 3,1 см (см. описание патента RU №2616586 С1, кл. G01R 29/08, 18.04.2017 г., Бюл. №11), показывающая, что отражения от пластины по нормали практически не влияют на прогнозируемые уровни ЭПР ГЛ и БЛ.
Анализ приведенных на фиг. 8 результатов показывает существенное, на 12,6 дБ, снижение уровня БЛ и соответствующее превышение полезного сигнала над фоновыми отражениями. 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 1,3 дБ до 0,27 дБ.
Технический результат достигнут: увеличено отношение сигнал-фон при измерениях ЭПР радиолокационных объектов с помощью решетки в условиях ограничения размеров 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 или меньше длины волны.
Реализация заявляемого устройства не представляет трудностей, поскольку заключается в размещении объектов измерения по изложенной схеме.