RU2510041C2

RU2510041C2 - Radar system for measuring amplitude diagram of scattering cross-section of objects

Info

Publication number: RU2510041C2
Application number: RU2012110643/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Вячеславович Беляев; Виталий Викторович Беляев; Герман Сергеевич Ковалев
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-03-20
Also published as: RU2012110643A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: system comprises series-connected receiver, computer, pulse transmitter, antenna switch and antenna, wherein the second output of the antenna switch is connected to the input of the receiver, as well as a rotating device with a support, the measured object and a control panel, which is connected by the first, second and third outputs to the second input of the transmitter, the input of the rotating device and the second input of the computer, respectively, the computer also being connected by the third input to the output of the rotating device, and also having, on the underlying surface at the centre of the first zone of a Fresnel antenna, a radar-absorbent device whose width is selected not less than the shorter axis of ellipse of the first zone of the Fresnel antenna, and the height is defined by the formula H_e=axH₀/(a+R-R_e), where a is the longer semi-axis of ellipse of the first zone of the Fresnel antenna, H₀ is the height of position of the measured object over the underlying surface, R is the distance between the antenna and the measured object, R_e is the distance between the antenna and the radar-absorbent device; the system also includes a radar-absorbent cloak on the top part of the radar-absorbent device.

EFFECT: high accuracy of measuring the amplitude diagram of the scattering cross-section of objects by eliminating the effect of the illuminating field specularly reflected from the underlying surface and back-scattered by the top part of the radar-absorbent device, as well as electromagnetic interaction between the measured object and the top part of the radar-absorbent device on measurement results.

1 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокационным измерениям эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов, и может быть использовано на открытых радиоизмерительных полигонах.The invention relates to radar, in particular to radar measurements of the effective scattering area (EPR) of objects, and can be used in open radio measuring ranges.

Известна импульсная измерительная установка [Е.Н. Майзельс, В.А. Торгованов. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М. - Советское радио. - 1972, - с.166], содержащая импульсный передатчик, передающую антенну, приемную антенну, приемник, пульт управления, угломерное устройство, поворотное устройство, опору, рассеиватель и регистрирующее устройство.Known pulse measuring installation [E.N. Meisels, V.A. Merchants. Measuring the dispersion characteristics of radar targets. - M. - Soviet radio. - 1972, - p.166], containing a pulse transmitter, a transmitting antenna, a receiving antenna, a receiver, a control panel, a goniometer, a rotary device, a support, a diffuser and a recording device.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений амплитудной диаграммы ЭПР объектов, которая обусловлена влиянием зеркального отражения от подстилающей поверхности и обратным рассеянием облучающего электромагнитного поля от верхней части поворотного устройства, а также электродинамическим взаимодействием между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства.A disadvantage of the known device is the low accuracy of measuring the amplitude diagram of the EPR of objects, which is due to the influence of specular reflection from the underlying surface and the backscattering of the irradiating electromagnetic field from the upper part of the rotary device, as well as the electrodynamic interaction between the measured object and the upper part of the rotary device.

Наиболее близким по технической сущности является комплекс для измерения радиолокационного поперечного сечения целей [Марлоу, Ватсон и Ван-Хозер. Комплекс RAT SCAT для измерения радиолокационного поперечного сечения целей. ТИИЭР, 1965, т.53, №8, стр.1085].The closest in technical essence is a complex for measuring radar cross-section of targets [Marlow, Watson and Van Hozer. RAT SCAT complex for measuring radar cross-section of targets. TIIER, 1965, t. 53, No. 8, p. 1085].

Комплекс содержит последовательно соединенные приемник, вычислитель, импульсный передатчик, антенный переключатель и антенну, при этом второй выход антенного переключателя соединен со входом приемника, а также поворотное устройство с опорой, измеряемый объект и пульт управления, который первым, вторым и третьим выходами соединен со вторым входом передатчика, входом поворотного устройства и вторым входом вычислителя соответственно, кроме того вычислитель третьим входом соединен с выходом поворотного устройства.The complex contains a series-connected receiver, calculator, pulse transmitter, antenna switch and antenna, while the second output of the antenna switch is connected to the input of the receiver, as well as a rotary device with a support, a measured object and a control panel, which is connected by the first, second and third outputs to the second the transmitter input, the input of the rotary device and the second input of the calculator, respectively, in addition, the third input computer is connected to the output of the rotary device.

Устройство не обеспечивает устранение влияния отраженного от подстилающей поверхности и обратно рассеянного верхней частью поворотного устройства облучающего поля, а также электродинамического взаимодействия между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства на формирование облучающего поля и фона в измерительном объеме комплекса, что обусловливает низкую точность измерений амплитудной диаграммы ЭПР объектов.The device does not eliminate the influence of the irradiating field reflected from the underlying surface and backscattered by the upper part of the rotary device, as well as the electrodynamic interaction between the measured object and the upper part of the rotary device on the formation of the irradiating field and background in the measuring volume of the complex, which leads to low accuracy of measurements of the EPR amplitude diagram objects.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерений амплитудной диаграммы ЭПР объектов за счет устранения влияния на результаты измерений зеркально отраженного от подстилающей поверхности и обратно рассеянного верхней частью поворотного устройства облучающего поля, а также электродинамического взаимодействия между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства.The technical task of this invention is to improve the accuracy of measuring the amplitude diagram of the EPR of objects by eliminating the influence on the measurement results of the irradiating field reflected from the underlying surface and backscattered by the upper part of the rotary device, as well as the electrodynamic interaction between the measured object and the upper part of the rotary device.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные приемник, вычислитель, импульсный передатчик, антенный переключатель и антенну, при этом второй выход антенного переключателя соединен со входом приемника, а также поворотное устройство с опорой, измеряемый объект и пульт управления, который первым, вторым и третьим выходами соединен со вторым входом передатчика, входом поворотного устройства и вторым входом вычислителя, соответственно, кроме того вычислитель третьим входом соединен с выходом поворотного устройства, введено устанавливаемое на подстилающей поверхности в центре первой зоны Френеля антенны радиопоглощающее устройство, ширину которого выбирают не менее малой оси эллипса первой зоны Френеля антенны, а высоту определяют по формуле Н_э=а×Н_о/(а+R-R_э), где а - большая полуось эллипса первой зоны Френеля антенны, Н_о - высота размещения измеряемого объекта над подстилающей поверхностью, R - расстояние между антенной и измеряемым объектом, R_э - расстояние между антенной и радиопоглощающим устройством, кроме того, введена радиопоглощающая накидка на верхнюю часть поворотного устройства.The specified technical result is achieved due to the fact that in the known device containing a series-connected receiver, calculator, pulse transmitter, antenna switch and antenna, while the second output of the antenna switch is connected to the input of the receiver, as well as a rotary device with a support, a measured object and a remote control control, which the first, second and third outputs are connected to the second input of the transmitter, the input of the rotary device and the second input of the calculator, respectively, in addition, the calculator t a third input is connected to the output of the rotary device, a radar absorbing device is installed on the underlying surface in the center of the first Fresnel zone of the antenna, the width of which is chosen not less than the small axis of the ellipse of the first Fresnel zone of the antenna, and the height is determined by the formula H _e = a × H _o / (a + RR _e ), where a is the semimajor axis of the ellipse of the first Fresnel zone of the antenna, N _o is the height of the measured object above the underlying surface, R is the distance between the antenna and the measured object, R _e is the distance between the antenna and the radar absorbing the device, in addition, introduced radar absorbing cape on the upper part of the rotary device.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно [Захарьев Л.Н., Леманский А.А., Турчин В.И., Цейтлин Н.М., Щеглов К.С.Методы измерения характеристик антенн СВЧ. - М.: Радио и связь, 1984, стр.8], что для проведения измерений амплитудной диаграммы ЭПР объектов с высокой точностью необходимо, чтобы объект облучался электромагнитным полем с равномерным амплитудно-фазовым распределением по поверхности объекта. Такое распределение достигается при удалении измеряемого объекта то фазового центра антенны на расстоянии не ближе «дальней зоны» ( $R \geq \frac{2 Д^{2}}{λ}$

, где Д - максимальный размер объекта, λ - длина облучающей волны). Однако, на приземных трассах в силу многолучевого характера распространения радиоволн, результирующее амплитудно-фазовое распределение электромагнитного поля в измерительном объеме комплекса определяется интерференцией прямого и зеркально отраженного от подстилающей поверхности лучей. Кроме того, при проведении экспериментальных исследований ЭПР реальных объектов техники (например, летательных аппаратов) существенно снижается точность измерений вследствие увеличения уровня обратно рассеянного верхней частью поворотного устройства облучающего поля, а также электродинамического взаимодействия (переотражение электромагнитной энергии) между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства. Первый фактор приводит к возрастанию уровня фона, а второй к дополнительному искажению амплитудно-фазового распределения облучающего поля в измерительном объеме комплекса. В изобретении достигается повышение точности измерений за счет устранения влияния на результаты измерений всех трех факторов: зеркально отраженного от подстилающей поверхности и обратно рассеянного верхней частью поворотного устройства облучающего поля, а также электродинамического взаимодействия между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства. Это реализуется путем размещения радиопоглощающего экрана на подстилающей поверхности в центре первой зоны Френеля антенны и закрытием верхней части поворотного устройства радиопоглощающей накидкой.The invention consists in the following. It is known [Zakharyev L.N., Lemansky A.A., Turchin V.I., Tseitlin N.M., Scheglov K.S. Methods for measuring the characteristics of microwave antennas. - M .: Radio and communications, 1984, p. 8], that to measure the amplitude diagram of the EPR of objects with high accuracy, it is necessary that the object is irradiated with an electromagnetic field with a uniform amplitude-phase distribution over the surface of the object. This distribution is achieved by removing the measured object then the phase center of the antenna at a distance no closer than the “far zone” (

R \geq \frac{2 D^{2}}{λ}

where D is the maximum size of the object, λ is the length of the irradiating wave). However, on surface paths due to the multipath nature of the propagation of radio waves, the resulting amplitude-phase distribution of the electromagnetic field in the measuring volume of the complex is determined by the interference of the direct and specularly reflected rays from the underlying surface. In addition, when conducting experimental studies of the EPR of real objects of technology (for example, aircraft), the measurement accuracy is significantly reduced due to an increase in the level of the irradiating field backscattered by the upper part of the rotary device, as well as electrodynamic interaction (re-reflection of electromagnetic energy) between the measured object and the upper part of the rotary device . The first factor leads to an increase in the background level, and the second to an additional distortion of the amplitude-phase distribution of the irradiating field in the measuring volume of the complex. The invention improves the accuracy of measurements by eliminating the influence on the measurement results of all three factors: the irradiating field reflected from the underlying surface and backscattered by the upper part of the rotary device, as well as the electrodynamic interaction between the measured object and the upper part of the rotary device. This is realized by placing a radio-absorbing screen on the underlying surface in the center of the first Fresnel zone of the antenna and closing the upper part of the rotary device with a radio-absorbing cape.

На фигуре представлена схема проведения измерения с помощью предлагаемого устройства, где изображены антенна - 1, которая установлена на высоту H_A над подстилающей поверхностью; поворотное устройство - 2 размещенное в «дальней зоне» на расстоянии R от фазового центра антенны - 1; опора - 3 с измеряемым объектом - 4, который размещен на высоте Н_о над подстилающей поверхностью, при этом опора - 3 установлена в центре поворотного устройства - 2 верхняя часть, которого закрыта радиопоглощающей накидкой - 5; радиопоглощающее устройство - 6 с высотой Н_э, которое размещено на подстилающей поверхности в центре первой зоны Френеля антенны - 6, на расстоянии R_э от фазового центра антенны; кроме того, схематично изображена геометрия лучей, по которым распространяется энергия облучающего поля: А - прямого, Б - зеркально отраженного от подстилающей поверхности, В - падающего на поворотное устройство и отраженного от него, С - переотраженных между объектом и верхней частью поворотного устройства, которые влияют на формирование результирующего амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля и фона в измерительном объеме комплекса.The figure shows a diagram of a measurement using the proposed device, which shows the antenna - 1, which is mounted at a height H _A above the underlying surface; rotary device - 2 located in the "far zone" at a distance R from the phase center of the antenna - 1; the support - 3 with the measured object - 4, which is placed at a height of H _about above the underlying surface, while the support - 3 is installed in the center of the rotary device - 2 the upper part, which is covered by a radar absorbing cloak - 5; radar absorbing device - 6 with a height of N _e , which is located on the underlying surface in the center of the first Fresnel zone of the antenna - 6, at a distance R _e from the phase center of the antenna; in addition, the geometry of the rays is shown schematically along which the energy of the irradiating field is distributed: A - direct, B - specularly reflected from the underlying surface, B - incident on and reflected from the rotary device, C - reflected between the object and the upper part of the rotary device, which affect the formation of the resulting amplitude-phase distribution of the electromagnetic field and background in the measuring volume of the complex.

Работа предлагаемого радиолокационного комплекса для измерения амплитудной диаграммы эффективной площади рассеяния объектов ничем не отличается от работы прототипа. Отличие заключается в предварительной подготовке комплекса к проведению измерений. [А.Б. Шмелев. Влияние подстилающей поверхности на работу наземных антенных систем. Радиотехника, №10, 1998, стр.105-110] определяют положение и размеры первой зоны Френеля антенны на подстилающей поверхности с учетом длинны волны сигнала, высот антенны комплекса на и измеряемого объекта Н_о, а также расстояния R от фазового центра антенны комплекса до измеряемого объекта. Далее в центре первой зоны Френеля антенны размещают радиопоглощающее устройство ширину, которого выбирают не менее малой оси эллипса первой зоны Френеля антенны, а высоту определяют по формуле Н_э=а×Н_о/(а+R-R_э). Радиопоглощающей накидкой закрывают верхнюю часть поворотного устройства. Радиопоглощающее устройство может быть выполнено в виде широкополосного радиопоглощающего материала типа «Ворс» или «Терновник», который размещен на каркасе заданных размеров из фанеры, проволоки или капронового троса. Радиопоглощающая накидка может быть выполнена из широкополосного радиопоглощающего материала в виде прямоугольных фрагментов, которые легко соединяются между собой при помощи капроновой нити.The work of the proposed radar system for measuring the amplitude diagram of the effective scattering area of objects is no different from the work of the prototype. The difference lies in the preliminary preparation of the complex for measurements. [A.B. Shmelev. The influence of the underlying surface on the operation of terrestrial antenna systems. Radio engineering, No. 10, 1998, pp. 105-110] determine the position and size of the first Fresnel zone of the antenna on the underlying surface, taking into account the wavelength of the signal, the antenna heights of the complex on and the measured object H _o , as well as the distance R from the phase center of the antenna of the complex to the measured object. Next, in the center of the first Fresnel zone of the antenna, a radar absorbing device is placed whose width is chosen not less than the axis of the ellipse of the first Fresnel zone of the antenna, and the height is determined by the formula H _e = a × H _o / (a + RR _e ). A radar absorbing cape covers the upper part of the rotary device. The radar absorbing device can be made in the form of a broadband radar absorbing material of the “Vors” or “Ternovnik” type, which is placed on the frame of a given size from plywood, wire or a nylon cable. The radar absorbing cape can be made of broadband radar absorbing material in the form of rectangular fragments that are easily connected to each other by means of a nylon string.

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что заявляемое устройство, характеризующееся совокупностью признаков, идентичным всем признакам, содержащемся в предложенной заявителем формуле изобретения, отсутствует, что указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «новизна».The analysis of the prior art allows us to establish that the claimed device, characterized by a combination of features identical to all the features contained in the claims proposed by the applicant, is absent, which indicates compliance of the claimed invention with the criterion of "novelty".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличными признаками заявляемого устройства, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а именно, введение устанавливаемого на подстилающей поверхности в центре первой зоны Френеля антенны радиопоглощающего устройства, ширину которого выбирают не менее малой оси эллипса первой зоны Френеля антенны, а высоту определяют по формуле Н_э=а×Н_о/(а+R-R_э) и радиопоглощающей накидки на верхнюю часть поворотного устройства.The search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify signs that match the excellent features of the claimed device showed that no solutions having signs matching its distinctive features were revealed in publicly available information sources, namely, the introduction of an installed on the underlying surface in the center of the first Fresnel zone of the antenna of the radar absorbing device, the width of which is chosen not less than the small axis of the ellipse of the first Fresnel zone of the antenna, and the height is determined by the formula H _e = a × H _o / (a + RR _e ) and a radar absorbing cape on the upper part of the rotary device.

Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого устройства на поставленную техническую задачу - повышение точности измерений амплитудной диаграммы ЭПР объектов за счет устранения влияния на результаты измерений зеркально отраженного от подстилающей поверхности и обратно рассеянного верхней частью поворотного устройства облучающего поля, а также электродинамического взаимодействия между измеряемым объектом и верхней частью поворотного устройства на формирование облучающего поля и фона в измерительном объеме комплекса, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».The prior art also does not confirm the popularity of the influence of the distinctive features of the claimed device on the technical task - improving the accuracy of measuring the amplitude diagram of the EPR of objects by eliminating the influence on the measurement results of the irradiating field reflected from the underlying surface and backscattered by the upper part of the rotary device, as well as electrodynamic interaction between the measured object and the upper part of the rotary device on the formation of the irradiating field and background in the measuring volume of the complex, therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Изобретение «Радиолокационный комплекс для измерения амплитудной диаграммы эффективной площади рассеяния объектов» промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков, обеспечивает возможность его осуществления, работоспособность и воспроизводимость для измерения ЭПР объектов на радиоизмерительных полигонах, так как для реализации заявленного устройства могут быть использованы известные материалы и оборудование.The invention "Radar complex for measuring the amplitude diagram of the effective scattering area of objects" is industrially applicable, since the set of characteristics characterizing it, provides the possibility of its implementation, operability and reproducibility for measuring the EPR of objects at radio measuring ranges, since known materials can be used to implement the claimed device and equipment.

Claims

A radar complex for measuring the amplitude diagram of the effective scattering area of objects, comprising a receiver, calculator, pulse transmitter, antenna switch and antenna connected in series, while the second output of the antenna switch is connected to the receiver input, as well as a rotary device with a support and a measured object placed on a support, and the control panel, which is connected by the first, second and third outputs to the second input of the transmitter, the input of the rotary device and the second input accordingly, in addition, the transmitter is connected to the output of the rotary device by the third input, characterized in that a radio-absorbing device is inserted into it, mounted on the underlying surface in the center of the first Fresnel antenna zone, the width of which is chosen not less than the small axis of the ellipse of the first Fresnel antenna zone, and the height is determined by the formula H _e = a × H _o / (a + RR _e ), where a is the semimajor axis of the ellipse of the first Fresnel zone of the antenna, H _o is the height of the measured object over the underlying surface, R is the distance between the antenna and tested object, R _e - the distance between the antenna and the radar absorbing device, in addition, introduced radar absorbing cape on the upper part of the rotary device.