способ измерения диаграмм эффективной площади рассеяния крупногабаритных объектов над границей раздела сред "воздух-земля"

Формула изобретения

Способ измерения диаграмм эффективной площади рассеяния крупногабаритных объектов над границей раздела сред «воздух-земля», включающий размещение испытываемого объекта на опорно-поворотной платформе, установленной в рабочей зоне измерительного комплекса на высоте h_об= _kR_об/(4h_ak), где _k - длина волны облучающего поля, _k+1> _k, k=1, 2, , n, R_об - расстояние до объекта, h_ak - высота приемопередающей антенны k-го волнового канала измерительного комплекса, круговое вращение объекта в горизонтальной плоскости и зондирование измерительным комплексом в дискретных точках _k диапазона его рабочих длин волн, прием и измерение мощности эхосигналов от объекта, калибровку приемопередающих трактов измерительного комплекса путем зондирования и измерения мощности эхосигналов от уголкового отражателя, расчет диаграмм эффективной площади рассеяния объекта _об( ; , _k), где и соответственно его курс и тангаж, на основе сравнения мощности эхосигналов от объекта и уголкового отражателя, отличающийся тем, что измерения диаграмм эффективной площади рассеяния испытываемого объекта проводят на полигоне с зеркально-диффузным отражением радиоволн подстилающей поверхностью, уголковый отражатель устанавливают на расстоянии и высоте, равными соответственно расстоянию до объекта и его высоте, в дополнительной рабочей зоне измерительного комплекса, полученной путем ее разноса с основной рабочей зоной в азимутальной плоскости на минимальный угол, достаточный для селекции эхосигналов от уголкового отражателя на допустимом фоне объекта, непосредственно перед измерениями диаграмм обратного рассеяния объекта проводят измерение эффективной площади рассеяния тестового объекта в заданном угловом секторе, а расчет диаграмм эффективной площади рассеяния испытываемого объекта выполняют по формуле:

_об( ; , _к)= < _уо( _уо; _уо, _к)><P_об( ; , _к)><V_уоh( _уо; _к)>⁴<V_уоr( _уо; _уо, _к)>⁴/

(<P_уо ( _уо; _уо, _к)><V_обh( ; _к)>⁴<V_обr( ; ; _к)>⁴), k=1, 2, , n,

где =< *( _то; _то, _к)>/< ( _то; _то, _к)>, < *( _то; _то, _к)> и < ( _то; _то, _к)> - измеренное и известное среднее значение ЭПР тестового объекта в угловом секторе ( _то± _ok/2; _то), _ok - интервал усреднения текущих «мгновенных» значений мощности принимаемых эхосигналов от зондируемого тела в горизонтальной плоскости, определенный в соответствии с обобщенным критерием дальней зоны для испытываемого объекта; < _уо( _уо; _уо, _к)> и <P_уо( _уо; _уо, _к)> - известное среднее значение эффективной площади рассеяния уголкового отражателя и измеренное среднее значение мощности его эхосигнала в угловом секторе ( _уо± _ok/2; _уо); <P_об( ; , _к)> - среднее значение мощности эхосигнала от объекта в угловом секторе ( ± _ok/2; ); <V_уоh( _уо; _к)>², <V_обh( ; _к)>² и <V_уоr( _уо; _уо, _к)>², <V_обr( ; , _к)>² - средние значения функции ослабления интенсивности облучающего поля по раскрыву уголкового отражателя и объекта соответственно в вертикальной поперечной (h) и горизонтальной продольной (r) плоскостях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокации объектов сложной формы над границей раздела сред «воздух-земля», и может быть реализовано при измерениях эффективной площади рассеяния (ЭПР) образцов современной техники массой до 50 т и более, с максимальной длиной 20-25 м и высотой до 5-7 м. Измерения диаграмм ЭПР крупногабаритных объектов (далее по тексту - объект, испытываемый объект) проводят, как правило, с помощью измерительных радиолокационных станций (РЛС) или многочастотных радиолокационных измерительных комплексов (РИК).

В соответствии с определением термина «эффективная площадь рассеяния» (ЭПР), а также с учетом массы и размеров испытываемого объекта измерения диаграмм его ЭПР проводят, как правило, на полигонах открытого типа под углами места не больше 1-2 градуса. Основной недостаток измерений диаграмм обратного рассеяния (диаграмм ЭПР) объектов на полигонах открытого типа - влияние на результаты измерений мешающих факторов, связанных с многолучевым распространением радиоволн (МРР) и с погодными условиями (см., например, ТИИЭР, 1987, т.75, № 4, стр.78-84). Для снижения влияния этих факторов принимают традиционные меры по уменьшению интенсивности зондирующих сигналов, отраженных от подстилающей поверхности (ПП) полигона, или по обеспечению когерентного (синфазного) сложения прямых и отраженных ПП зондирующих сигналов в рабочей зоне РИК. Кроме того, предусматривается периодическая калибровка приемопередающих трактов РИК и учет влияния внешних условий на результаты измерений ЭПР, которые могут занимать от одних до нескольких суток.

Известен способ измерения ЭПР крупногабаритных объектов над границей раздела сред «воздух-земля» (см., например, журнал «Измерительная техника», 2003, № 5, стр.47-52), предусматривающий корректировку результатов измерений ЭПР испытываемого объекта для исключения (существенного снижения) влияния на них МРР в вертикальной плоскости. С этой целью в известное уравнение измерения ЭПР объекта _об( ; , ) в условиях свободного пространства с использованием эталонного отражателя (ЭО) (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1039) автором настоящего способа предложено вводить поправочный коэффициент <V_эoh(h)>⁴ /<V_обh(h)>⁴:

где и - курс и тангаж объекта, _эо и _эо - курс и тангаж ЭО; - длина волны зондирующего излучения измерительной РЛС; _эо( _эо; _эо, ) - номинальное значение ЭПР ЭО; P_об( ; ) и R_об - мощность эхосигнала от объекта и расстояние до него; P_эо( _эо; _эо) и R_эо - мощность эхосигнала от ЭО и расстояние до него; <V_эoh(h; )>² и <V_обh(h; )>² - оценки средних значений функции ослабления (ФО) интенсивности (мощности) облучающего поля (ИОП) соответственно по раскрыву ЭО и объекта в вертикальной поперечной плоскости, h - высота точки наблюдения (см., например, А.И. Калинин, Е.Л. Черенкова. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Радио и связь, 1971, стр.14-15). Способ предусматривает расчетно-экспериментальную оценку ФО ИОП с использованием известной формулы для малых углов скольжения зондирующих сигналов (см., например, Е. А. Штагер. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986, стр.176, выражение 9.29).

По заключению автора данного способа «попытки исключить влияние ПП при измерениях ЭПР объектов над границей раздела сред «воздух-земля» с помощью поправочного коэффициента <V_эoh(h)> ⁴/<V_обh(h; )>⁴ приводят к погрешностям на уровне 4-5 дБ». Действительно, реализация данного способа измерений ЭПР требует проведения значительного объема работ по расчетно-экспериментальной оценке ФО ИОП в вертикальной плоскости для типовых условий локации объекта на конкретном полигоне. Однако при анализе точности предлагаемого способа автор рассмотрел только частный случай отражения радиоволн ПП ( , где , _s и _d - соответственно коэффициенты отражения радиоволн Френеля, зеркального и диффузного отражения Бартона) без учета реальной взаимосвязи между коэффициентами , _s и _d (см., например, ТИИЭР, 1974, т.62, № 6, стр.38-41). Кроме того, автор не учел несоответствие между номинальным значением ЭПР ЭО, определенным для условий свободного пространства, и мощностью результирующего эхосигнала от ЭО, формируемого в условиях МРР на основе сложения его 4 компонент (см. фиг.1), а также возможности известных способов измерения ФО ИОП (см., например, Е.А. Штагер. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986, стр.171-177).

Известен также способ измерения ЭПР крупногабаритных объектов, предусматривающий проведение калибровки измерительной РЛС при размещении ЭО непосредственно перед объектом в ее рабочей зоне (Патент РФ № 2326400, МПК 7 G01S 13/00, 2007). Рассматриваемый способ включает, в частности, размещение ЭО на вспомогательном поворотном устройстве, вращение ЭО в горизонтальной плоскости и облучение системы «неподвижный объект - вращающийся ЭО», последовательное измерение максимального (P_max) и минимального (P _min) значений мощности эхосигналов от этой системы, оценку «ЭПР взаимодействия объекта с ЭО» по формуле _вз( )= _эо( _эо; _эо, ){(P_max)^0,5-(P_min) ^0,5}²/{(P_max)^0,5+(P _min)^0,5}², расчет текущих значений круговой диаграммы ЭПР объекта в горизонтальной плоскости по формуле _об( ; , )= _вз( )P_об( ; , )/P_вз( ; , ), где P_об( ; , ) - предварительно измеренная диаграмма рассеяния мощности эхосигнала от объекта, P_вз( ; , ) - «мощность электромагнитного взаимодействия объекта с ЭО». Однако авторами способа однозначно не определены предельные размеры «крупногабаритного объекта», координаты точки отсчета для смещения ЭО относительно объекта на расстояние /4, а также метод оценки мощности P_вз( ; , ). При этом в способе и устройстве, реализующем предложенный способ (Патент РФ № 2342672, МПК 7 G01S 13/00, 2007), средства исключения влияния МРР на результаты измерений ЭПР объекта не рассматриваются. В тоже время известно (см., например, ТИИЭР, 1987, т.75, № 4, стр.96-98), что методическая ошибка измерения ЭПР объектов, обусловленная МРР над ПП полигона, может быть доминирующей и достигать 8-10 дБ.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения диаграмм ЭПР объектов в горизонтальной плоскости, реализованный на полигоне с зеркально отражающей ПП ( _s~1, _s>> _d) в диапазоне частот 1-12 ГГц (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1085-1094). Измерения диаграмм ЭПР объекта проводятся на 3 трассах различной протяженности R_o, определяемой в соответствии с критерием дальней зоны при оценке «мгновенных» значений ЭПР объекта под заданным ракурсом (R₀ 2D²/ , где D - максимальный размер объекта). Основное преимущество способа - возможность обеспечить достаточно равномерное симметричное распределение ФО ИОП в рабочей зоне РИК непосредственно над границей раздела сред (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1058-1061, 1087). Одним из необходимых условий реализации такого преимущества является выбор высоты приемопередающих антенн РИК с учетом достижимой высоты позиционирования испытываемого объекта над 1111 полигона, расстояния до объекта и длины волны облучающего поля (см., например, журнал «Радиотехника», № 5, 2008, стр.116-119).

Рассматриваемый способ включает: контроль распределения ИОП в рабочей зоне РИК и расчет на основе его результатов поправок в уравнение измерений ЭПР объекта, размещение в этой зоне объекта на опорно-поворотной платформе (ОПП) на высоте h_об= _кR_об/(4h_ак), где k=1, 2 , n ( _к+1> _к и h_а(к+1)>h_ак), вращение в горизонтальной плоскости и последовательное зондирование объекта в дискретных точках _к диапазона рабочих длин волн РИК, прием и измерение мощности эхосигналов от объекта, периодическую калибровку приемопередающих трактов РИК путем зондирования и измерения мощности эхосигналов от уголкового отражателя (УО) с известным номинальным значением ЭПР, установленного в дополнительной рабочей зоне РИК, вынесенной по дальности из его основной зоны, расчет диаграмм текущих значений ЭПР объекта _об( ; , _к) в горизонтальной плоскости в угловом секторе =0-360° на длинах волн _к путем сравнения мощности эхосигналов от объекта P_об( ; , _к) и УО P_уо( _уо; _уо, _к), где _уо, _уо - курс и тангаж УО, с учетом поправок на спад ИОП на границах раскрыва объекта и УО в вертикальной (поперечной) и горизонтальной (продольной) плоскостях.

Однако измерения диаграмм ЭПР испытываемого объекта рассматриваемым способом выполняются при следующих основных ограничениях и допущениях (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1085-1088):

1. Максимальный размер объекта в горизонтальной плоскости D_r, последовательно размещаемого и зондируемого в диапазоне частот 1-12 ГГц на расстояниях 150 м, 360 м и 750 м, не превышает 3-5 м.

2. Максимальный размер объекта в вертикальной плоскости Dh, определяемый спадом ИОП на границах его раскрыва в этой плоскости, при спаде ИОП до 2 дБ не превышает 2,2-2,5 м.

3. Распределение ИОП в разнесенных по дальности основной и дополнительной рабочих зонах РИК считается известным и неизменным в процессе испытаний объекта. Одновременно считаются известными и постоянными относительные вклады отраженных ПП полигона компонент в интенсивность результирующих эхосигналов от УО и объекта, размещенных в разнесенных по дальности рабочих зонах РИК.

Изложенные выше первые 2 ограничения не позволяют реализовать рассматриваемый способ в условиях облучающего поля со сферичным фазовым фронтом или поля с высокой направленностью излучения при измерениях ЭПР объектов с максимальной длиной и высотой соответственно до 20-25 м и 5-7 м (см., например, Экспресс-информация, Радиотехника СВЧ, № 42, стр.1-6. - М.: ВИНИТИ, 1989). С целью исключения смещения (до минус 5 дБ и ниже) оценки среднего значения ЭПР объекта, обусловленного сферичным фазовым фронтом облучающего поля, используют обобщенные критерии дальней зоны. Например, критерий для случая измерений средних значений ЭПР подвижного («колеблющегося») объекта (см., например, Е.А. Штагер. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986, стр.62). Для снятия ограничений к размерам объекта, обусловленных высокой направленностью облучающего поля в вертикальной плоскости (десятые доли градуса для случая зеркально отражающей ПП), снижают интенсивность зеркально отраженных ПП зондирующих сигналов РИК известными способами (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1044, 1087). С учетом особенностей отражения радиоволн ПП под малыми углами скольжения, а также естественных изменений погодных условий на полигонах открытого типа допущения по п.3 могут быть выполнены частично или не соответствовать реальной ситуации в целом (см., например, ТИИЭР, 1974, т.62, № 6, стр.38-41).

В соответствии с вышеизложенным для обеспечения приемлемой точности измерения диаграмм ЭПР крупногабаритных объектов в заявляемом способе предусматривается принятие следующих мер.

1. Обеспечение достаточно равномерного распределения ИОП в рабочей зоне РИК в вертикальной плоскости (спад ИОП на границах зоны относительно ее центра не более 1-2 дБ) путем достижения зеркально-диффузного характера отражения радиоволн ПП полигона ( _s 0,5, _d 0,4; см., например, ТИИЭР, 1974, т.62, № 6, стр.40). Требуемый характер отражения радиоволн может быть достигнут, в частности, за счет неровностей или растительного покрова ПП при определенных положительных углах наклона электрической оси антенн РИК относительно линии визирования объекта (см., например, ТИИЭР, 1965, т.53, № 8, стр.1044).

2. Размещение УО на расстоянии и высоте, соответственно равными расстоянию до объекта и его высоте, в дополнительной рабочей зоне РИК, вынесенной из его основной рабочей зоны на минимальный угол в азимутальной плоскости, достаточный для селекции эхосигналов от УО на фоне объекта и обеспечения идентичности (относительной близости) распределения ИОП в основной и дополнительной рабочих зонах РИК.

3. Проведение измерений ЭПР тестового объекта (объекта с известной диаграммой обратного рассеяния) путем зондирования и сравнения мощности эхосигналов от УО и тестового объекта, размещаемых соответственно в дополнительной и основной рабочих зонах РИК на одинаковых высотах и расстояниях.

4. Представление диаграмм ЭПР испытываемого объекта в виде графиков зависимости текущих средних значений его ЭПР от курса в горизонтальной плоскости для заданных значений тангажа (или крена объекта - при необходимости). Минимально допустимое значение сектора усреднения «мгновенных» значений ЭПР объекта в этой плоскости определяют по формуле (см., например, Е.А. Штагер. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986, стр.62); при условии , где L - максимальный размер объекта в горизонтальной плоскости, R_об - расстояние до испытываемого объекта, k=1, 2, , n.

В соответствии с вышеизложенным уравнение измерения диаграмм текущих средних (в угловом секторе ± _ok/2; ) значений ЭПР объекта _об( ; , _к) заявляемым способом имеет вид:

,

где =< *( _то; _то, _к)>/< ( _то; _то, _к)>, < *( _то; _то, _к)> и < ( _то; _то, _к)> - измеренное и известное среднее значение ЭПР тестового объекта в заданном угловом секторе ( _то± _ok/2; _то), _ok - интервал усреднения текущих «мгновенных» значений мощности принимаемых эхосигналов от зондируемого тела в горизонтальной плоскости (определенный в соответствии с обобщенным критерием дальней зоны для испытываемого объекта); < _уо( _уо; _уо, _к)> и <P_уо( _уо; _уо, _к)> - известное среднее значение ЭПР УО и измеренное среднее значение мощности его эхосигнала в угловом секторе ( _уо± _ok/2; _уо); <P_об( ; , _к)> - среднее (в угловом секторе ± _ok/2; ) значение мощности эхосигнала от объекта; <V_уоh ( _уо; _к)>², <V_обh( ; _к)>² и <V_уоr( _уо; _уо, _к)>², <V_обr( ; , _к)>² - средние значения ФО ИОП по раскрыву УО и объекта соответственно в вертикальной поперечной (h) и горизонтальной продольной (r) плоскостях.

Новым техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности измерений диаграмм обратного рассеяния крупногабаритных объектов (до 5-6 дБ и более в зависимости от их размеров) на основе снижения доминирующих погрешностей оценок средних значений их ЭПР. К основным из них относятся методические погрешности, обусловленные:

- сферичностью фронта облучающего поля и спадом его интенсивности по раскрыву объекта;

- различным уровнем или характером распределения ИОП по раскрыву объекта и ЭО при их размещении на различных расстояниях и высотах, зависимостью этих характеристик облучающего поля от погодных условий;

- несоответствием мощности эхосигнала от ЭО в условиях МРР номинальному значению его ЭПР, определенному для условий свободного пространства.

Проведенный анализ уровня современной измерительной техники в области измерений ЭПР объектов сложной формы позволяет установить, что техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков, идентичных всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, отсутствует, что указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого способа, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. На основании анализа уровня техники в этих областях не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого способа на указанный технический результат, следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень». Предлагаемое техническое решение «Способ измерения диаграмм ЭПР крупногабаритных объектов над границей раздела сред «воздух-земля»» промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность осуществления, работоспособность и воиспроизводимость этого решения.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-3.

На фигуре 1 представлена схема электромагнитного взаимодействия испытываемого объекта с ПП полигона на измерительной трассе многочастотного РИК, где приняты следующие обозначения: многочастотный РИК (измерительный комплекс) - 1, экранирующая ПП полигона - 2, трассы распространения зондирующих сигналов и эхосигналов от испытываемого объекта - 3, 4 и от эталонного отражателя (ЭО) - 5, горизонтальная линия - 6, ЭО - 7, подставка для ЭО - 8, испытываемый объект - 9, опорно-поворотная платформа - 10, характерный график распределения ИОП над ПП с зеркальным отражением - 11, _к и _к - углы скольжения и разноса зондирующих и принимаемых РИК эхосигналов, _к - угол возвышения приемопередающей антенны РИК относительно объекта.

На фигурах 2 и 3 приведены графики распределения ИОП по высоте в рабочей зоне РИК в интервале длин волн (0,85-1,15) _o, _o=0,03 м, соответственно для ПП с зеркальным и зеркально-диффузным отражением. На графиках представлены случаи наведения антенны РИК в точки с координатами R_o=800 м, h₀₁=2,5 м (для горизонтальной ПП с углом подъема ₀=0° - фиг.2а, 3а) и R_o=800 м, h₀₂=7 м (для наклонной ПП с углом ₀=1° - фиг.2б, 3б). Моделирование распределения ИОП выполнено с помощью обобщенной математической модели ФО (см., например, Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г.Воронеж, 2007, т.3, стр.1606-1611) для антенны высотой h_a=2,4 м и шириной диаграммы направленности (1,5-1,7)°. Частные случаи равенства среднеквадратичных значений высоты неровностей и растительного покрова ПП ( _h= =0,2 м, ₀=0° и _h= =0,15 м, ₀=1°) представлены соответственно на фиг.3а и 3б. Результаты моделирования ФО подтверждают возможность достижения приемлемого распределения ИОП по высоте в интервале 1,5-7 м на полигоне с ПП с зеркально-диффузным отражением радиоволн.

Устройство, реализующее заявленный способ измерения диаграмм ЭПР крупногабаритных объектов, работает следующим образом. Непосредственно перед испытаниями объекта выполняют: контроль распределения ИОП в рабочих зонах РИК одним из известных способов, калибровку его приемопередающих трактов путем зондирования и приема эхосигналов от УО на РИК, а также измерение ЭПР тестового объекта в заданном секторе путем зондирования и оценки мощности эхосигналов от УО и тестового объекта. Тестовый объект удаляют, а испытываемый объект размещают в основной рабочей зоне РИК на ОПП. Зондирование и регистрацию мощности эхосигналов от объекта на РИК выполняют синхронно с его вращением в горизонтальной плоскости. Результаты калибровки РИК, контроля распределения ИОП в его рабочих зонах, измерения ЭПР тестового объекта и зондирования объекта используют для расчета его диаграмм ЭПР в диапазоне рабочих длин волн измерительного комплекса.

Реализация заявленного способа измерения диаграмм ЭПР крупногабаритных объектов над границей раздела сред «воздух-земля» позволяет существенно повысить точность измерений их ЭПР на полигонах открытого типа в условиях МРР и облучающего поля с сферичным фазовым фронтом. Одновременно внедрение способа позволит значительно расширить класс испытываемых объектов за счет подвижных крупногабаритных объектов большой массы.