Патент на изобретение №2278396

(54) УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ НАЗЕМНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОД МАЛЫМИ УГЛАМИ МЕСТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для обеспечения динамических измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей на трассе “земля-воздух” в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Техническим результатом изобретения является повышение точности калибровки и расширение области применения устройства калибровки наземных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места в условиях многолучевого распространения радиолокационных сигналов (PC). Предлагаемое устройство калибровки содержит аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемопередающая антенна, и приемное устройство, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержит металлический трехгранный уголковый эталонный отражатель (ЭО), установленный в дальней зоне локации РИК, и отличается тем, что в него введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемопередающей антенны РИК металлический клиновидный экран, высоту, длину и просвет относительно линии “антенна РИК-ЭО” которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения подстилающей поверхностью (ПП) полигона зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов, и размещенное на малоотражающей вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией “антенна РИК-ЭО” и тупым углом в этой плоскости, определяемым по соответствующему выражению. 4 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для обеспечения динамических измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей на трассе “земля-воздух” в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Известны различные устройства калибровки наземных многочастотных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места (0°||3°), содержащие металлические эталонные отражатели (ЭО), устанавливаемые последовательно на малоотражающей вышке в дальней зоне излучения РИК [1. Дибдал Р.Б. Методы измерения эффективной площади отражения радиолокационных целей, ТИИЭР, т.75, №4, 1987, стр.78-99]. Общий недостаток этих устройств состоит в низкой точности калибровки РИК под малыми углами места . Низкая точность калибровки в этом случае обусловлена существенным влиянием зеркального отражения и дифракции на препятствиях трассы “антенна РИК-ЭО” зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов (PC), приводящим к смещению оценок мощности PC на входе РИК (по сравнению с калибровкой РИК в условиях свободного пространства) до 6…10 дБ и более [2. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. – М.: Радио и связь, 1986, стр.171-175].

Известно более точное устройство калибровки наземных РИК, использующее в качестве ЭО радиолокационный ответчик (РЛО) с известным значением эквивалентной ЭПР [3. Активный отражатель для калибровки РЛС. Экспресс – информация. Радиотехника сверхвысоких частот, №2, 1985, стр.11-18]. Приемлемая точность калибровки с помощью этого устройства достигается за счет использования установленных на специальной мачте высоконаправленных приемной и передающей антенн РЛО, обеспечивающих относительно низкий уровень облучения подстилающей поверхности (ПП) полигона. Вместе с тем, это устройство не находит широкого применения на практике вследствие высокой стоимости разработки и эксплуатации РЛО, больших размеров и сложности конструкции его антенной системы, необходимости ее размещения и ориентации на высокой мачте, а также низкой точности теоретической оценки эквивалентной ЭПР ответчика и сложностей обеспечения ее воспроизводимости в условиях полигона открытого типа.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство калибровки одночастотной радиолокационной станции (РЛС) над морем, содержащее аттенюатор, подключенный к калибруемой РЛС, состоящей из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемо-передающая антенна, и приемного устройства, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащее металлический трехгранный уголковый (ЭО), установленный на малоотражающей вышке в дальней зоне локации РЛС [4. Леонтьев В.В. Методика калибровки РЛС при измерении эффективной площади рассеяния цели над морем. Измерительная техника, №11, 2002, стр.37-40].

Недостатком прототипа является ограниченная область его применения: только на полигонах с плоской, зеркально отражающей ПП; для калибровки РЛС сантиметрового диапазона. Кроме того, для обеспечения потенциальной точности и воспроизводимости результатов калибровки измерительной РЛС, согласно прототипу, необходимы стабилизация положения ЭО на вышке, а также периодическое равномерное изменение высоты его установки, в том числе в условиях взволнованной морской поверхности.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности калибровки и расширение области применения устройства калибровки РИК под малыми углами места в условиях многолучевого распространения PC.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в состав известного устройства калибровки наземного РИК, содержащего аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемо-передающая антенна, и приемного устройства, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащего металлический трехгранный уголковый ЭО, установленный в дальней зоне локации РИК, введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемо-передающей антенны РИК металлический клиновидный экран (КЭ), высоту, длину и просвет относительно линии “антенна РИК-ЭО” которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения ПП полигона зондирующих и рассеянных ЭО PC, и размещенное на вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией “антенна РИК-ЭО” и тупым углом в этой плоскости, определяемым выражениями

где 3,14…; _0,5 – ширина основного лепестка бистатической диаграммы рассеяния ЭО по уровню 0,5 в вертикальной плоскости; а – размер ребра трехгранного ЭО с треугольными гранями (а/8); – длина волны зондирующего излучения РИК [5. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. – М.: Советское радио, 1970, стр.180-181].

При этом действительное значение мощности PC, рассеянных ЭО в направлении биссектрисы его трехгранного угла в условиях свободного пространства Р^СП(₀, ₀), на входе РИК определяют с учетом ориентации ЭО относительно антенны РИК и оценки влияния на результаты калибровки РИК дифракции зондирующих и рассеянных ЭО сигналов по формуле

где ₀, ₀ – угловые координаты биссектрисы трехгранного угла ЭО в связанной с ним системе координат (₀=₀=0°); Р(, ; /2) – оценка мощности PC, рассеянных ЭО в направлении антенны РИК при установке ЭО под прямым углом в вертикальной плоскости; , – угловые координаты линии визирования “ЭО – антенна РИК” в вертикальной () и горизонтальной () плоскостях; [1-2tg²]² , [1-2tg²]² – функции, учитывающие пространственный разнос приемо-передающих антенн многочастотного РИК и направленность диаграмм рассеяния (ДР) ЭО соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях (с погрешностью не более 10% при условии, если || и || меньше 25° [5], стр.166-172); W – множитель ослабления свободного пространства, учитывающий влияние на калибровку РИК дифракции PC на КЭ [6. Винниченко А.И. Теория тракта распространения радиоволн линий радиосвязи. – Л.: ВМА, 1984, стр.305-311] и оцениваемый экспериментально по формуле

где Р(, ; _0,5) – оценка мощности PC, рассеянных ЭО в направлении антенны РИК при установке ЭО под тупым углом.

Сравнительный анализ заявленного изобретения с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается от известного наличием новых признаков, в том числе:

новых элементов – размещенный в центре первой зоны Френеля приемо-передающей антенны РИК металлический КЭ (выполненный из металлического листа или сетки) и устройство поворота ЭО, установленное на малоотражающей вышке;

новых принципов – учет и практическое исключение влияния на калибровку РИК зеркального отражения ПП полигона и дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC.

При изучении аналогичных технических решений в области радиолокационных измерений ЭПР целей указанная выше совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, выявлена не была.

Подготовка к калибровке РИК с помощью заявляемого устройства включает (см. фиг.2):

определение (на основе простых геометрических построений) положения и размеров первой зоны Френеля на ПП полигона с учетом высоты антенны РИК h_A, высоты ЭО на вышке h_Эо и выбранного расстояния R до ЭО [7. Шмелев А.Б. Влияние подстилающей поверхности на работу наземных антенных систем. Радиотехника, №10, 1998, стр.105-110];

выбор расстояния R₁ от РИК до КЭ равным расстоянию до центра первой зоны Френеля, а ширины экрана – равной малой оси этой зоны и его высоты – достаточной для исключения попадания отражений от этой зоны на ЭО (на основе простых геометрических построений);

выбор просвета КЭ (Н) относительно линии “антенна РИК-ЭО” из условия ограничения абсолютного значения множителя W величиной не более 1 дБ на основе анализа его теоретической зависимости от параметра (необходимое ограничение множителя W достигается при условии [6] или

выбор трехгранного ЭО с длиной ребра а, удовлетворяющей условию а8, при выполнении которого номинальное значение ЭПР ЭО определяют по известной формуле с погрешностью не более 10% [5];

расчет ширины основного лепестка бистатической ДР ЭО и определение на этой основе тупого угла установки ЭО в вертикальной плоскости по формулам (1).

Непосредственно перед калибровкой РИК на расстояниях R₁ и R размещают соответственно КЭ, вышку с ЭО и устройством его поворота, последовательно горизонтируют ЭО и ориентируют его на РИК, устанавливают ЭО под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования “ЭО – антенна РИК”. В процессе калибровки РИК зондируют ЭО и регистрируют амплитуду рассеянных им PC. Затем устанавливают ЭО под тупым углом в вертикальной плоскости, зондируют его и регистрируют амплитуду рассеянных ЭО PC.

Использование новых элементов устройства и реализация новых принципов калибровки РИК, заключающихся в том, что ЭО размещают за КЭ, установленным в центре первой зоны Френеля, а ЭО ориентируют на РИК под тупым углом в вертикальной плоскости с учетом ширины основного лепестка его бистатической ДР в этой плоскости, при этом действительное значение мощности PC, рассеянных ЭО в направлении биссектрисы трехгранного угла в условиях свободного пространства, определяют с учетом ориентации ЭО относительно антенны РИК и оценки влияния на калибровку РИК дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC, позволяет повысить точность калибровки РИК (в частности, исключить смещение оценок мощности отраженных ЭО сигналов на входе РИК до 6 дБ [2] при некогерентном сложении PC в прямом и обратном направлениях) и расширить область применения известного устройства, например, на полигонах с диффузно отражающей ПП при калибровке РИК миллиметрового и сантиметрового диапазонов, РИК с пространственно разнесенными антенными системами, а также при использовании вышки с фиксированной высотой.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства калибровки, а на фиг.2 – геометрия полигона открытого типа и трассы распространения PC, поясняющие сущность калибровки РИК с помощью предложенного устройства. На фиг.3 и 4 приведены градуировочные и калибровочные характеристики РИК на длинах волны ₁=3,1 см и ₂=10,1 см соответственно, построенные для реальных условий зондирования ЭО (с использованием экспериментальных оценок мощности Р(, ; /2), Р(, ; _0,5) отраженных им сигналов) и условий зондирования ЭО в свободном пространстве (с использованием оценки мощности Р^СП(₀, ₀) по формуле (2)).

Заявленное устройство калибровки содержит (см. фиг.1): аттенюатор – 1, подключенный к калибруемому РИК – 2, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства – 3, к выходу которого подключен антенный переключатель – 4, а к первому и второму выходам переключателя – соответственно аттенюатор – 1 и приемо-передающая антенна – 5, приемного устройства – 6, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор – 1 и аналого-цифровой преобразователь с регистратором – 7, а также содержит металлический КЭ – 8, трехгранный уголковый ЭО – 9, установленный на малоотражающей вышке – 10, и устройство поворота ЭО – 11.

В устройстве калибровки используются типовые узлы и элементы, выполненные на современном уровне развития техники [8. Майзельс Е.Н. Измерение характеристик рассеяния современных целей. – М.: Сов. радио, 1972].

На фиг.2 изображены приемо-передающая антенна РИК-5, КЭ-8, ЭО – 9, малоотражающая вышка – 10, устройство поворота ЭО-11 и первая зона Френеля антенны РИК-12, а также представлены точки излучения a, b и их зеркальное изображение а, b, фазовый центр отражения ЭО с и линии g-g, параллельные горизонту.

На фиг.3 и 4 приведены графики исходных градуировочных характеристик РИК, представляющих собой зависимость амплитуды U₁ (U₂) PC, отраженных ЭО при его установке под прямым углом, на выходе приемного устройства РИК от отношения мощности Р этих сигналов к мощности сигналов фона Р_ф на входе РИК. Приведенные графики построены с помощью аттенюатора (путем введения различного затухания в отдельные каналы приемного устройства РИК) с использованием результатов измерений мощности Р(, ; /2) рассеянных ЭО PC. Уточненные градуировочные характеристики РИК построены на основе исходных с учетом оценки мощности Р^СП(₀, ₀) и сравнения последней с мощностью Р(, ; /2) при заданной амплитуде U₁ (U₂) принимаемого сигнала. Для перехода от уточненных градуировочных к калибровочным характеристикам РИК необходимо и достаточно, используя амплитуду сигнала от ЭО U_ЭО при минимальном затухании (в децибелах), вводимом с помощью аттенюатора при зондировании ЭО, отложить по оси абсцисс известное значение его ЭПР S_эфф на соответствующей длине волны .

Представленные на фиг.3 и 4 графики получены при калибровке двухканальной РЛС типа МРЛ-5 (₁=3,1 см и ₂=10,1 см) с помощью аттестованного трехгранного ЭО с ребром грани а=69,9 см (номинальное значение ЭПР S_эфф(₁)=709,4 м² и S_эфф(₂)=98,9 м²) на полигоне открытого типа со следующими характеристиками: высота антенн МРЛ-5 – h_A=3,35 м, высота ЭО на вышке – h_ЭО=10,25 м, расстояние R₁=505 м, расстояние R=785 м, превышение линии визирования “антенна РИК – ЭО” над КЭ – Н = 1,8 м, значение множителя W(₁)=1,38 и W(₂)=0,73, ширина основного лепестка бистатической ДР ЭО _0,5 (₁)=4,6° и _0,5 (₂)=15,1°, углы ориентации ЭО в вертикальной плоскости (₁)=4,6° и (₂)=15,1°, угол места ЭО в системе координат, связанной с РИК (₁)=(₂)=0,5°.

Калибровка РИК – 2 с помощью предложенного устройства выполняется следующим образом. В соответствии с Руководством по эксплуатации подготавливают РИК – 2 к работе и градуировке.

Проводятся традиционные мероприятия, направленные на снижение уровня фона, обусловленного отражениями от местных предметов в пределах импульсного объема РИК – 2 в окрестностях вышки – 10 (фиг.2). Рассматриваемый уровень фона должен быть, как минимум, на 26…30 дБ [1] ниже по сравнению с уровнем сигнала от ЭО – 9. Для практического исключения влияния на калибровку РИК – 2 многолучевого распространения зондирующих и рассеянных ЭО – 9 PC в центре первой зоны Френеля антенны РИК – 2 устанавливают КЭ – 8. В дальней зоне локации РИК – 2 на дальности прямой видимости R (фиг.2) устанавливают малоотражающую вышку – 10, устройство поворота – 11 и ЭО – 9. С помощью уровня-угломера горизонтируют ЭО – 9 и ориентируют его на РИК – 2; затем устанавливают ЭО – 9 под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования “ЭО – антенна РИК” и докладывают (по радиоканалу) о готовности к проведению градуировки.

Градуировку РИК – 2 выполняют по типовой методике с помощью аттенюатора – 1 (путем введения различного затухания ) по сигналу, рассеянному ЭО – 9 в направлении РИК – 2. При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя с регистратором – 7 получают графики зависимостей U_к=f_к (Р/Р_ф), где U_к – амплитуда PC на выходе к-го (к=1, 2, …) частотного канала РИК – 2, Р/Р_ф – относительная мощность сигнала, рассеянного ЭО – 9, на входе РИК – 2 при соответствующем затухании аттенюатора – 1 в канале (в децибелах относительно мощности Р_ф сигнала фона).

С помощью аттенюатора – 1 вводят минимальное затухание , необходимое для приема и регистрации рассеянных ЭО – 9 PC без искажения (ограничения) амплитуды сигналов согласно градуировочной характеристике РИК – 2. Выполняют зондирование ЭО – 9 с помощью генерируемых передатчиком – 3 PC, поступающих через антенный переключатель – 4 на приемопередающую антенну – 5, которая излучает PC в направлении ЭО – 9. Рассеянные ЭО – 9 PC поступают на приемо-передающую антенну – 5 и далее через антенный переключатель – 4, аттенюатор – 1, приемное устройство – 6 на аналого-цифровой преобразователь с регистратором – 7. Далее с помощью аттенюатора – 1 вводят максимальное затухание , соответствующее превышению мощности рассеянных ЭО – 9 PC над уровнем фона 30 дБ, и повторяют зондирование ЭО – 9 аналогично описанному выше.

По команде с РИК – 2 устанавливают ЭО – 9 под тупым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией визирования “ЭО – антенна РИК” и докладывают о готовности к зондированию ЭО – 9, повторяют зондирование ЭО – 9, установленного под тупым углом , последовательно при минимальном и максимальном затухании, вводимом с помощью аттенюатора – 1.

Амплитуда PC, рассеянных ЭО – 9 на выходе РИК – 2, запоминается с помощью аналого-цифрового преобразователя с регистратором – 7 и используется при построении калибровочных характеристик РИК – 2 (фиг.3, 4).

По завершении зондирования ЭО – 9 и снятия его с малоотражающей вышки – 10 выполняют зондирование вышки – 10 и регистрацию отраженных PC при минимальном затухании, вводимом с помощью аттенюатора – 1 при зондировании ЭО – 9.

С использованием градуировочных характеристик РИК – 2 на основе зарегистрированных значений амплитуд PC на выходе частотных каналов приемного устройства – 6 оценивают мощность Р(, ; /2) и Р(, ; _0,5), рассеянных PC при различной ориентации ЭО – 9. Оценки этой мощности используют для расчета по формулам (2) и (3) соответственно действительного значения мощности Р^СП(₀, ₀) PC, рассеянных ЭО – 9 в направлении биссектрисы его трехгранного угла в условиях свободного пространства, и множителя ослабления свободного пространства W. Типичные графики градуировочных и калибровочных характеристик РИК – 2, полученные соответственно с использованием оценок мощности Р(, ; /2) и Р^СП(₀, ₀) рассеянных ЭО – 9 PC на длинах волн 3,1 и 10,1 см, приведены на фиг.3 и 4.

Повышение точности калибровки с помощью заявляемого устройства достигается на основе учета и практического исключения влияния на калибровку РИК зеркального отражения ПП полигона и дифракции зондирующих и рассеянных ЭО PC, а также учета ориентации ЭО относительно приемопередающих антенн РИК. Предлагаемое устройство, кроме того, позволяет существенно расширить область калибровки РИК за счет снижения уровня ограничений к типу ПП полигона, диапазону рабочих длин волн калибруемого РИК и техническим характеристикам вышки. Калибровка РИК с помощью предлагаемого устройства предусматривает оценку мощности PC, рассеянных ЭО в условиях свободного пространства, что обеспечивает воспроизводимость результатов калибровки РИК и измерений ЭПР воздушных целей на трассе “земля-воздух”.

Формула изобретения

Устройство калибровки наземных радиолокационных измерительных комплексов (РИК) под малыми углами места, содержащее аттенюатор, подключенный к калибруемому РИК, состоящему из последовательно соединенных передающего устройства, антенного переключателя, к первому и второму выходам которого подключены соответственно аттенюатор и приемопередающая антенна, и приемное устройство, ко входу и выходу которого подключены соответственно аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь с регистратором, а также содержащее металлический трехгранный уголковый эталонный отражатель (ЭО), установленный в дальней зоне локации РИК, отличающееся тем, что в него введены размещенный в центре первой зоны Френеля приемопередающей антенны РИК металлический клиновидный экран, высоту, длину и просвет относительно линии “антенна РИК-ЭО” которого определяют из условия практического исключения влияния на результаты калибровки РИК дифракции на экране и зеркального отражения подстилающей поверхностью полигона зондирующих и рассеянных ЭО радиолокационных сигналов, и размещенное на малоотражающей вышке и механически соединенное с ЭО устройство поворота, позволяющее устанавливать ЭО на вышке последовательно под прямым углом в вертикальной плоскости между плоскостью его раскрыва и линией “антенна РИК-ЭО” и тупым углом в этой плоскости, определяемым выражениями

и

где 3,14 …;

_0,5 – ширина основного лепестка бистатической диаграммы рассеяния ЭО по уровню 0,5 в вертикальной плоскости;

а – размер ребра трехгранного ЭО с треугольными гранями (а/8);

– длина волны зондирующего излучения РИК.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 04.09.2006

Извещение опубликовано: 20.05.2008 БИ: 14/2008