Установка для измерения матрицы невзаимного обратного рассеяния объектов
INSTALLATION FOR MEASURING MATRIX OF NON-RECIPROCAL BACKSCATTERING OF OBJECTS

Настоящее изобретение относится к радиолокации. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения матрицы обратного рассеяния (МОР) объекта, закреплённого на симметричном отражателе при воздействии радиочастотных импульсов. Установка для измерения МОР, содержит формирователь радиочастотных импульсов наносекундной длительности, приёмник, малошумящий усилитель, СВЧ переключатель, поляризационный разделитель, передающую антенну с линейной поляризацией, приёмную антенну с круговой поляризацей, объект измерения, симметричный отражатель, шаговый двигатель.
Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для измерения обратного рассеяния различных объектов, в том числе невзаимных или частично невзаимных. Установка позволяет измерять коэффициенты матрицы обратного рассеяния
где коэффициенты означают:  - коэффициент, определяемый при горизонтальной поляризации излучаемого поля (первый индекс H) и приеме горизонтальной составляющей поля (второй индекс H);  - коэффициент, определяемый при горизонтальной поляризации излучаемого поля (первый индекс H) и приеме вертикальной составляющей поля (второй индекс V);  - коэффициент, определяемый при повороте объекта на 90 град относительно вектора поляризации излучаемого поля (первый индекс V) и приеме вертикальной составляющей поля (второй индекс V);  - коэффициент, определяемый при вертикальной поляризации излучаемого поля (первый индекс V) и приеме горизонтальной составляющей поля (второй индекс H). Мерой невзаимности обратного рассеяния является неравенство  (Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966, 440 с.; Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризации рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 279 с.; Boerner W.M., Jamaguchi Y. A State-of-the-Art Review in Radar Polarimetry and its Application in Remote Sensing. IEEE Aerops. And Electron. Sust. Mag., №5 (1990) 3; Хлусов В.А. Параметризация матрицы обратного рассеяния невзаимных сред. Оптика атмосферы и океана. 1995, т.8, № 10, с. 1441-1445.).
Уровень техники
Известна экспериментальная установка для однопозиционного радиолокационного зондирования частично-невзаимных сред (Valeriy A. Khlusov & Peter V. Vorob'ov. Monostatic radar sensing of partially nonreciprocal mediums backscatter // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2021. Vol. 35, No 13, pp. 1687 - 1698. https://doi.org/ 10.1080/09205071.2021.1892533). Экспериментальная установка включает в себя в качестве измеряемого объекта ферритовый стержень, размещенный в секции круглого волновода, закороченный с одной стороны, соленоидальный электромагнит для подмагничивания в продольном направлении ферритового стержня, позволяющий изменять степень намагниченности ферритового стержня в широких пределах. Перед секцией с ферритовым стержнем включены две секции круглого волновода с размещенными в них фазовыми непоглощающими пластинками  и , которые соединены между собой и с секцией, содержащей ферритовый стержень, с одной стороны, а также с круглым фланцем поляризационного разделителя с другой стороны при помощи вращающихся дроссельных сочленений. Это позволяет оперативно менять ориентацию фазовых пластинок  и  путем поворота секции вокруг оси на угол ε для пластинки  и угол θ для пластинки . Поляризационный разделитель осуществляет разложение входной со стороны круглого фланца волны на две ортогональные линейно-поляризованные компоненты. Напряжения волн горизонтальной и вертикальной поляризаций получаются на детекторных головках, согласование которых с выходами поляризационного разделителя осуществляется с помощью вентилей.
Недостатком экспериментальной установки является невозможность измерения объектов произвольной конструкции, так как испытуемый образец размещается в круглом волноводе с ограниченными размерами, а модуляция его параметров возможна только путем изменения подмагничивающего поля.
Известен способ и устройство измерения матрицы рассеяния (пат. RU 2331895 C1), который принят за прототип изобретения. Устройство измерения матрицы рассеяния, реализующее способ, содержит генератор монохроматических радиоволн, два направленных ответвителя, трансформатор поляризаций, направленный разделитель поляризаций, первую приемопередающую антенну для измерения объекта измерения, два приемника, причем выход генератора соединен с входом первого направленного ответвителя, один выход которого соединен последовательно с трансформатором поляризаций, основным плечом направленного разделителя поляризаций и первой антенной, второй выход первого направленного ответвителя соединен с входом второго направленного ответвителя, боковые плечи направленного разделителя поляризаций соединены с сигнальными входами приемников, отличающееся тем, что введены три направленных ответвителя, третий приемник, вторая приемопередающая антенна, объект измерения, эталонный объект, который измеряется первой антенной, объект опорного сигнала, система мягкой подвески объектов, причем один выход второго направленного ответвителя соединен с входом третьего направленного ответвителя, выход которого соединен с входом четвертого направленного ответвителя, а второй его выход соединен с второй антенной, выходы четвертого направленного ответвителя соединены с входом пятого направленного ответвителя и с сигнальным входом третьего приемника, вход опорного сигнала которого соединен с выходом второго направленного ответвителя, выходы пятого направленного ответвителя соединены с входами опорного сигнала первого и второго приемников, причем система мягкой подвески содержит опоры, закрепленные на земле в дальней зоне антенн, вне диаграмм их направленности, устройство вращения объектов, установленное на земле между опор, несущий трос закреплен на верхних концах опор, стропы крепления объекта измерения или эталонного объекта, один конец которых закреплен на несущем тросе, а другой на объекте измерения или эталонном объекте, стропы-оттяжки вращения объектов, один конец которых закреплен на объекте измерения или эталонном объекте, а другой на плечах устройства вращения объектов, стропы крепления объекта опорного сигнала, один конец которых закреплен на объекте опорного сигнала, а другой - на стропах-растяжках.
Данное устройство измерения матрицы рассеяния обладает следующим существенным недостатком. Механическая схема крепления испытуемого объекта и эталонного объекта на растяжках не обеспечивает точной и стабильной во времени установки измеряемого объекта, что при небольших угловых отклонениях на подвеске приводит к набегу фазы отраженной монохроматической волны и неконтролируемой большой ошибке измерений.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения коэффициентов полной матрицы невзаимного обратного рассеяния.
Основная техническая задача, решаемая предложенным техническим решением, направлена на уменьшение погрешности измерения коэффициентов полной матрицы невзаимного обратного рассеяния, для чего исследуемый объект устанавливается на круглом вращающемся двухслойном отражающем диске, внешний слой которого, обращенный к излучающей антенне, выполнен из диэлектрика, а тыльный слой выполнен из металла, вращение диска с помощью шагового двигателя при управлении от ЭВМ позволяет изменять угловое положение объекта относительно вектора поляризации сигнала, излучаемого передающей антенной, с высокой точностью в диапазоне от 0-360 град, при этом составляющая погрешности по причине жесткого крепления объекта и точного углового перемещения отражающего диска и закрепленного на нем объекта измерений посредством шагового электродвигателя близки к нулю, а погрешность измерений определяется величиной развязки каналов поляризационного разделителя, которая может достигать более 40 дБ.
Краткое содержание чертежей
Изобретение поясняется чертежами фиг. 1 - фиг. 4:
на фиг. 1 показана структурная схема установки;
на фиг. 2 показаныосциллограммы напряжений  и  на выходе приемника при углах поворота диска  при измерении вращающегося металлического диска;
на фиг. 3 показана зависимость напряжения  от угла поворота диска, т.е. угла поворота плоскости поляризации относительно отражающего объекта на выходе микроконтроллера;
на фиг. 4 показана зависимость напряжения  от угла поворота диска на выходе микроконтроллера.
Осуществление изобретения
Устройство содержит (см. фиг. 1): персональный компьютер 1 (ПК), микроконтроллер 2 (МК), приемо-передатчк 3, в состав котороого входят формирователь радиоимпульсов наносекундной длительности 4 (Ф) и приёмник 14 (П), передающую антенну с линейной поляризацией 5, объект измерения 6, опорную систему, состоящую из диэлектрического диска 7, металлического диска 8, шагового двигателя 9, приёмную антенну с круговой поляризацией 10, поляризационный разделитель 11, СВЧ переключатель 12, малошумящий усилитель 13 МШУ.
В качестве приемо-передатчика 3 может выступать приемо-передающий модуль на основе интегральной схемы типа Xethru X2.
Антенна 5 может быть выполнена в виде антенны Вивальди, главным условием является излучение с линейной поляризацией.
Диэлектрический диск 6 выполнен из сплошного листового полиэтилена.
Металлический диск 7 может быть выполнен из алюминия для облегчения конструкции.
В качестве поворотного механизма может быть использован шаговый двигатель 9.
Приёмная антенна 10 выполнена в виде облучателя зеркал и имеет круговую поляризацию.
Поляризационный разделитель 11 волноводного исполнения с входом в виде круглого волновода и двумя выходами горизонтальной и вертикальной поляризации, снабженными волноводно-коаксиальными переходами. Поляризационный разделитель обеспечивает изоляцию между каналами вертикальной и горизонтальной составляющей на менее 35 дБ.
Соединение блоков устройства
Персональный компьютер ПК 1 подключен к микроконтроллеру 2 (МК). Микроконтроллер 2 соединён с приемо-передатчиком 3. Выход формирователя 4 подключен к передающей антенне 5. Приёмная антенна 10 в виде облучателя зеркал с волноводом круглого сечения соединена с поляризационным разделителем 11. Выходы поляризационного разделителя 11 вертикальной и горизонтальный составляющих поляризации соединены с входами СВЧ переключателя 12, выход которого соединён с входом малошумящего усилителя МШУ 13. Выход МШУ 13 соединён с входом приёмника 14. Передающая антенна 5 и приёмная антенна 10 ориентированы на диски 7 и 8 под небольшим углом , так чтобы оптические оси антенн пересекались на объекте измерения 6.
Работа установки
Устройство работает следующим образом. В дальней зоне передающей 5 и приёмной антенн, на вращающейся системе из диэлектрического 7 и металлического 8 дисков закреплен объект измерения 6. Формирователь 4 генерирует радиочастотный импульс, который излучается в направлении объекта измерения 6 передающей антенной 5 с горизонтальной поляризацией. Отражённый сигнал, содержащий вертикальную и горизонтальную составляющие поляризации, принимается антенной 10 и поступает на вход поляризационного разделителя 11, декомпозируется на горизонтальную H и вертикальную V составляющие, поступающие на входы СВЧ переключателя 12, управление которым осуществляется с персонального компьютера ПК 1. Сигнал горизональной или вертикальной поляризации с СВЧ переключателя 12 поступает на малошумящий усилитель МШУ 13, после чего оцифровывается приёмником 14. При начальном угловом положении объекта по отношению к вектору поляризации излученной антенной 5 волны равном 0 град сигнал, получаемый с выхода Н поляризационного разделителя через переключатель 12 в положении Н, пропорционален коэффициенту матрицы рассеяния . Переключение переключателя в положение V с его выхода получается сигнал, пропорциональный коэффициенту  матрицы рассеяния. Регистрация коэффициентов МОР  и  происходит при вращении объекта измерения на угол 90°гради переключения между декомпозированными составляющими отражённого сигнала. В результате получается полная матрица рассеяния
.
Калибровка стенда выполняется в отсутствие на нем испытуемого объекта путем измерения отраженного сигнала от круглого отражателя при его вращении от 0 до 180°град. Начальному положению антенны 5 соответствовала горизонтальная (H) поляризации излучаемой электромагнитной волны. При этом в приемном канале использовались выходы H и V поляризационного разделителя 11, обеспечивающие сочетания поляризации передача-прием в следующих вариантах: HH, HV. Вращение диска 7 на 90 град относительно положения антенны 5 обеспечивает измерение сочетания поляризации передача-прием в вариантах VV, VH. Целью калибровки являлось определение погрешности при измерении коэффициентов матрицы обратного рассеяния , которая для вращающегося диска должна максимально близко удовлетворять условиям . Измерения коэффициентов  проводились при вращении диска от 0 до 180 град. На фиг. 2 показаны записанные осциллограммы напряжений  и  на выходе измерительного устройства при углах поворота . Аналогичные осциллограммы получены при  для . Результаты измерения абсолютных значений  и  показаны на фиг. 3, 4. Зависимость  от угла  снималась при неизменной ориентации передающей антенны 5, соответствующей поляризации , и на выходе  поляризационного разделителя. Напряжение  снималось с выхода  поляризационного разделителя при различных углах  и неизменном положении антенны 5. Определено среднее значение = 145.0 мВ (пунктирная линия на фиг. 3) и максимальное отклонение от среднего  мВ, что составляет 2% от . При измерении  (фиг. 4) получено среднее значение =3.8 мВ в диапазоне °град и максимальное абсолютное отклонение от среднего  мВ при °град. На основании анализа ожидаемой погрешности измерения коэффициентов  был сделан вывод о целесообразности перехода от горизонтальной поляризации к вертикальной при в интервале углов  град. Определенные погрешности позволило оценить динамический диапазон при измерении
Величины  и  соответствуют наихудшему уровню развязки поляризационного разделителя -35.0 дБ (M.O. Konovalenko, V.V. Sokolov, E.I. Trenkal and N.D. Malyutin. The antenna system with signal polarization separation. CAMSTech-2020. IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/919/5/052018), что доказывает достижение технического результата изобретения.
В процессе измерений получена нормированная по  матрица рассеяния  диска в диапазоне °град
.