НАВИГАЦИОННЫЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ СО СВЕТООТРАЖАЮЩИМИ ГРАНЯМИ
NAVIGATIONAL RADIOOPTICAL ANGLE REFLECTOR OF DIRECTIONAL ACTION WITH LIGHT-REFLECTING FACES

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться на внутренних водных путях в составе перевальных и створных знаков для обозначения судового хода одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн.
Известны радиолокационные трехгранные уголковые отражатели (УО) направленного действия со взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными квадратными или секторными гранями [1, 2].
Их недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что УО работают только в радиолокационном диапазоне волн, выполняя функции пассивных отражателей радиоволн, и не работают в оптическом диапазоне волн с целью активного направленного излучения навигационных светосигнальных огней.
m
m
m
Известен трехгранный УО, образованный взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными треугольными гранями [1, 2], широко используемый в практике судовождения для радиолокационного обозначения плавучих и береговых навигационных знаков. По сравнению с УО с квадратными или секторными гранями отличается такими конструктивными преимуществами как простота изготовления, механическая жесткость, меньшими габаритами и весом. Внутренние отражающие поверхности треугольных граней, при условии, что они велики по сравнению с длиной волны, образуют в радиолокационном диапазоне волн систему из трех зеркал. Поэтому при падении на них плоской электромагнитной волны, после трехкратного отражения, формируется волна, распространяющаяся в направлении, обратном направлению падения. По сравнению с трехгранными УО с секторными или квадратными гранями, ширина диаграммы обратного рассеяния которых в области главного лепестка составляет 39° и 32° соответственно, трехгранные УО с треугольными гранями обладают наиболее широкой диаграммой рассеяния главного лепестка, ширина которой в горизонтальной и вертикальной плоскостях на уровне 0,5σ составляет величину 42° [1, 2]. При этом максимум диаграммы рассеяния или максимум эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) σ соответствует случаю, когда направление падающей волны совпадает с геометрической осью симметрии УО, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва. Причем ЭПР в максимуме главного лепестка σ равна [1, 2]
где α - размер ребра в [м],
λ - длина волны в [м].
Фазовый центр рассеяния УО всегда располагается в его вершине независимо от поляризации падающей волны и ракурса облучения [1].
Недостаток трехгранного УО с треугольными гранями заключается в ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся в том, что он работает только в радиолокационном диапазоне волн, выполняя функции пассивного отражателя электромагнитных волн, и не обладает функциями активного источника излучения навигационных светосигнальных огней в заданном направлении в оптическом диапазоне волн в темное время суток.
Известен радиолокационный УО, образованный группой из четырех УО с треугольными гранями, покрытыми с обоих сторон световозвращающими элементами [3].
Его недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что в оптическом диапазоне волн он выполняет функции только пассивного отражателя световых лучей прожектора и не способен выполнять функции активного источника излучения световых навигационных огней.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному навигационному радиооптическому уголковому отражателю направленного действия со светоотражающими гранями является навигационный радиооптический УО направленного действия [4].
Этот радиооптический УО содержит в своем составе трехгранный УО с взаимно перпендикулярными металлизированными или металлическими отражающими треугольными гранями одинаковых размеров, источник света, фотоавтомат управления сигнальным огнем и источник питания постоянного тока.
m
m
Источник света выполнен в виде полупроводникового светоизлучающего диода и расположен в вершине трехгранного УО, являющейся фазовым центром рассеяния УО в радиолокационном диапазоне волн и его фокусом в оптическом диапазоне волн. При этом светоизлучающий диод своим катодным выводом подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока, выполненного в виде «сухозаряженной» батареи серии «Лиман», а его анодный вывод через фотоавтомат управления сигнальным огнем подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока. При этом в радиолокационном диапазоне волн электрическая ось трехгранного УО, в направлении которой ЭПР максимальна σ в горизонтальной и вертикальной плоскостях, совпадает с геометрической осью симметрии УО, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва со стороны внутренних отражающих поверхностей треугольных граней. А в оптическом диапазоне волн оптическая ось, в направлении которой сила света максимальна I в горизонтальной и вертикальной плоскостях, совпадает также с геометрической осью симметрии УО и с его электрической осью в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн. При этом источник света располагается на оптической оси и его угол излучения 2α относительно ее в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет величину 2α≥90°.
Навигационный радиооптический УО направленного действия работает одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн следующим образом.
m
m
m
В радиолокационном диапазоне волн навигационный радиооптический УО направленного действия работает так же как обыкновенный пассивный радиолокационный трехгранный УО с треугольными плоскими взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными отражающими гранями одинаковых размеров и одинаковой формы. Внутренние отражающие поверхности треугольных граней УО образуют систему из трех зеркал при условии, что они достаточно велики по сравнению с длиной волны. Поэтому при падении на треугольные грани радиооптического уголкового отражателя электромагнитной волны после трехкратного отражения формируется волна, распространяющаяся в направлении обратном направлении падения. При этом ширина основного лепестка диаграммы обратного рассеяния, соответствующая трехкратному отражению электромагнитной волны от треугольных граней радиооптического УО так же как у радиолокационного трехгранного УО, на уровне 0,5σ в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет величину 42°. При этом максимум диаграммы обратного рассеяния или максимум ЭПР σ радиооптического УО соответствует случаю, когда направление падающей волны совпадает с геометрической осью симметрии трехгранного УО или с его электрической осью - главной осью обратного рассеяния. ЭПР радиооптического УО в максимуме главного (основного) лепестка σ так же как и у радиолокационного трехгранного УО с треугольными гранями определяется соотношением (1).
В оптическом диапазоне длин волн навигационный радиооптический УО направленного действия работает следующим образом.
m
m
m
m
Так как катодный вывод светоизлучающего полупроводникового диода подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока, то при подключении его анодного вывода через фотоавтомат управления сигнальным огнем к положительному полюсу источника питания постоянного тока светоизлучающий диод, установленный в фокусе радиооптического УО, излучает вдоль его оптической оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях конический световой пучок с угловой шириной 2α≥90°. Световой пучок, попадая на взаимно перпендикулярные треугольные грани трехгранного УО, после трехкратного отражения концентрируется им на выходе в световой пучок большей силы света I с угловой шириной на уровне 0,5I 42° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Таким образом, угловая ширина светового потока, излучаемого радиооптическим УО на уровне 0,5I в оптическом диапазоне волн в горизонтальной и вертикальной плоскостях, совпадает с шириной главного (основного) лепестка диаграммы обратного рассеяния на уровне 0,5σ в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн и составляет величину 42°. Цвет излучения сигнального огня белый, красный, желтый или зеленый светоизлучающего полупроводникового диода определяется сложившейся навигационной обстановкой на водных путях.
Управление работой светоизлучающего полупроводникового диода осуществляется фотоавтоматом управления сигнальным огнем, который обеспечивает постоянный или проблесковый режим горения светоизлучающего диода с автоматическим включением и выключением в зависимости от освещенности местности. Фотоавтомат управления сигнальным огнем выполнен по классической схеме серии ФАУСП [5] и в его состав входят фотодатчик-выключатель, выполненный в виде фоторезистора типа СФЗ-1 и являющийся светочувствительной частью фотоавтомата, который вырабатывает сигнал на включение светоизлучающего диода при освещенности 20-100 лк и на выключение его, если освещенность превышает указанные значения; стабилизатор напряжения, который поддерживает на светоизлучающем диоде необходимое номинальное напряжение; усилитель, непосредственно включающий или выключающий светоизлучающий диод по сигналам фотодатчика; проблескатор, выполненный в виде мультивибратора, сигналы которого подаются на вход усилителя и определяют работу светоизлучающего диода в проблесковом или постоянном режимах горения светосигнального огня.
Недостаток навигационного радиооптического УО направленного действия заключается в ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся в том, что в оптическом диапазоне волн он обеспечивает подачу светосигнальных огней с белым, красным, желтым или зеленым цветами свечения только в активном режиме работы и не обеспечивает их подачу в пассивном режиме при его освещении световым потоком судовым прожектором в темное время суток.
На фиг. 1 представлен общий вид навигационного радиооптического УО направленного действия со светоотражающими гранями, где обозначено 1 - радиолокационный трехгранный УО (вид спереди); 2 - треугольные грани с радиопрозрачным светоотражающим покрытием с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения; 3 - источник света с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня, соответствующего цвету радиопрозрачного светоотражающего покрытия треугольных граней, расположен в вершине трехгранного УО, являющейся его фокусом в оптическом диапазоне волн и фазовым центром рассеяния в радиолокационном диапазоне волн; 4 - радиолокационный трехгранный УО (вид сбоку), 5 - плоскость раскрыва УО, 6 - геометрическая ось симметрии трехгранного УО, проходящая через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 5 со стороны внутренних светоотражающих поверхностей треугольных граней и совпадающая с электрической и оптической осями трехгранного УО соответственно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн, 7 - угол излучения 2α источника света 3 относительно оптической оси 6 трехгранного УО 4.
На фиг. 2 представлена обобщенная структурная электрическая схема автоматического устройства управления источником света 3, выполненного в виде светоизлучающего полупроводникового диода 10 с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня. В состав устройства входят источник питания постоянного тока 8, фотоавтомат управления сигнальным огнем 9 и светоизлучающий диод 10. При этом катодный вывод светоизлучающего диода подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 8, а его анодный вывод через фотоавтомат управления 9 подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока 8.
На фиг. 3 представлена обобщенная функциональная схема фотоавтомата управления сигнальным огнем 9 серии ФАУСП, выполненного по классической схеме [5] и включающего в себя фотодатчик 11, стабилизатор напряжения 12, проблескатор 13 и усилитель 14.
Навигационный радиооптический уголковый отражатель направленного действия со светоотражающими гранями работает одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн следующим образом.
m
m
m
В радиолокационном диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический уголковый отражатель с радиопрозрачным светоотражающим покрытием треугольных граней работает как обыкновенный радиолокационный трехгранный УО с треугольными плоскими взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными гранями одинаковых размеров и формы. В радиолокационном диапазоне волн внутренние поверхности треугольных отражающих граней образуют систему из трех зеркал при условии, что они достаточно велики по сравнению с длиной волны. Поэтому при падении на треугольные грани с радиопрозрачным светоотражающим покрытием радиооптического УО электромагнитной волны после трехкратного отражения формируется электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, обратном направлению падения. Это свойство обратного отражения у радиооптического УО (см. фиг. 1), так же как у радиолокационного трехгранного УО 1, сохраняется в широком спектре углов падения электромагнитной волны относительно геометрической оси симметрии отражателя 6, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 5 со стороны внутренних поверхностей отражающих треугольных граней и совпадающей с электрической осью 6 отражателя 4. В направлении электрической оси 6 ЭПР достигает своего максимального значения σ как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, при условии, что все три треугольные грани с радиопрозрачным светоотражающим покрытием взаимно перпендикулярны. При этом фазовый центр рассеяния у радиооптического УО располагается в его вершине и находится на электрической оси 6, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 5, и не изменяет своего положения при изменении поляризации падающей электромагнитной волны. Пространственная индикатрисса обратного рассеяния радиооптического УО, так же как у радиолокационного трехгранного УО, характеризуется шириной главного (основного) лепестка диаграммы обратного рассеяния в горизонтальной и вертикальной плоскостях и на уровне 0,5σ составляет величину 42°, соответствующую трехкратному отражению падающей электромагнитной волны. При этом максимум диаграммы обратного рассеяния или максимум ЭПР σ радиооптического УО определяется соотношением (1).
В оптическом диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический УО направленного действия с радиопрозрачным светоотражающим покрытием треугольных граней работает как в активном, так и в пассивном режимах.
m
В активном режиме работы заявляемый радиооптический УО работает следующим образом. Так как катодный вывод светоизлучающего полупроводникового диода 10 подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 8, то при подключении его анодного вывода через фотоавтомат управления сигнальным огнем 9 к положительному полюсу источника питания постоянного тока 8 (см. фиг. 2) светоизлучающий диод 10, установленный в фокусе УО на его оптической оси, излучает вдоль ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях конический световой пучок с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня с угловой шириной 2α≥90°. Затем излучаемый световой поток попадает на взаимно перпендикулярные треугольные грани трехгранного УО с радиопрозрачным светоотражающим покрытием, цвет свечения которого соответствует цвету излучаемого светосигнального огня. В результате внутренних переотражений от треугольных граней 1-3 УО формируется световой поток на выходе УО вдоль его оптической оси с угловой шириной на уровне 0,5 от максимальной силы света I в 42° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
В пассивном режиме работы заявляемый радиооптический УО направленного действия с радиопрозрачным светоотражающим покрытием треугольных граней работает в оптическом диапазоне волн следующим образом.
m
m
В оптическом диапазоне волн внутренние поверхности треугольных граней УО со светоотражающим радиопрозрачным покрытием образуют систему из трех зеркал. Поэтому при падении светового потока от судового прожектора на треугольные грани УО, после трехкратного отражения от них, формируется световой поток, распространяющийся в направлении, обратном направлению падения. При этом цвет свечения отраженного от радиооптического УО светового потока белый, красный, зеленый или желтый соответствует цвету радиопрозрачного светоотражающего покрытия треугольных граней и определяется сложившейся навигационной обстановкой на внутренних водных путях. Это свойство обратного отражения у радиооптического УО (см. фиг. 1), так же как у радиолокационного трехгранного УО 1, сохраняется в широком спектре углов падения светового потока судового прожектора относительно геометрической оси симметрии отражателя 6, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 5 со стороны внутренних поверхностей светоотражающих треугольных граней и совпадающей с оптической осью 6 отражателя 4. В направление оптической оси 6 сила света отраженного светового потока достигает своего максимального значения I как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, при условии что все три треугольные грани с радиопрозрачным светоотражающим покрытием взаимно перпендикулярны. При этом фазовый центр светорассеяния у радиооптического УО располагается в его вершине и находится на оптической оси 6, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 5. Пространственная индикатрисса светорассеяния радиооптического УО со светоотражающими гранями характеризуется шириной главного (основного) лепестка диаграммы обратного светорассеяния в горизонтальной и вертикальной плоскостях и на уровне 0,5I составляет величину 42°, соответствующую трехкратному отражению падающего светового потока, а также совпадает с шириной диаграммы обратного рассеяния в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн.
В трехсантиметровом радиолокационном диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический УО направленного действия со светоотражающим покрытием граней может быть выполнен на основе трехгранного УО с треугольными гранями, изготовленными из фольгированного стеклотекстолита или плоских алюминиевых листов. В качестве источника света может быть использован светоизлучающий полупроводниковый диод типа LES-STAR-3W с белым, красным, зеленым или желтым цветами свечения сигнального огня с углом излучения 2α=120° как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В качестве источника питания постоянного тока может быть использована сухозаряженная батарея типа «Лиман» ТУ 3483-019-04707044-99 с номинальным напряжением 2,6 В или 5,2 В и емкостью 150 А/ч. В качестве светоотражающего покрытия треугольных граней может быть использована, например, радиопрозрачная высокоинтенсивная светоотражающая самоклеющаяся пленка типа Б или В ГОСТ 52290-2004. В качестве фотоавтомата управления сигнальным огнем может быть использован фотоавтомат серии ФАУСП-3М типа НП-2 ТУ 212177187. Причем источник питания постоянного тока и фотоавтомат управления сигнальным огнем могут быть расположены с наружной стороны треугольных граней трехгранного УО либо могут быть расположены вне его, например, на сигнальных щитах в составе линейных створ, на котором радиооптический УО установлен.
По сравнению с навигационным радиооптическим УО без светоотражающего покрытия треугольных граней, заявляемый навигационный радиооптический УО с радиопрозрачным светоотражающим покрытием треугольных граней обладает расширенными функциональными возможностями в оптическом диапазоне волн, обусловленными его одновременной работой не только в активном режиме, обеспечивая подачу активных светосигнальных огней в темное время суток, но и его работой в пассивном режиме, подавая пассивные навигационные светосигнальные огни, цвет свечения которых определяется цветом светоотражающего покрытия граней при освещении отражателя лучами света судового прожектора.
Использованные источники информации
1. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: «Советское радио». 1975. - 248 с.
2. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. - Л.: «Судостроение, 1968. - 328 с.
3. Соколов Б.П., Киннунен И.И. Радиолокационный отражатель. Патент RU №2190286. МПК H01Q 15/18, G02B 5/122. Дата приоритета 06.12.2000 г.
4. Гулько В.Л. Навигационный радиооптический уголковый отражатель направленного действия. Патент RU №2572795, МПК H01Q 15/00. Дата приоритета 01.09.2014 г.
5. Шмерлинг И.Е. Монтер судоходной обстановки. - М.: « Транспорт», 1977. - 173 с.