НАВИГАЦИОННЫЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к навигации и может использоваться на внутренних водных путях в качестве эффективного и недорогого средства берегового навигационного оборудования в составе перевальных и створных знаках для обозначения судового хода одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн.

Известно [1, 2], что в радиолокационном диапазоне волн, радиолокационные отражатели, используемые в навигационных целях должны одновременно сочетать в себе максимальную эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) σ_m при небольших габаритах, а также обладать способностью отражать падающие на них электромагнитные волны в обратном направлении в достаточно большом диапазоне углов падения волны, т.е. должна обладать достаточно широкой диаграммой обратного рассеяния. При этом под диаграммой обратного рассеяния (или индикатрисой обратного рассеяния) понимается [1] зависимость изменения ЭПР отражателя (амплитуды отраженного сигнала) от его ориентации относительно радиолокационной станции (РЛС) в двух взаимно перпендикулярных горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Известно [1, 2], что в радиолокационном диапазоне волн этим требованиям удовлетворяют трехгранные уголковые отражатели, представляющие собой распространенный тип широкоугольных моностатических отражателей направленного действия, используемых в качестве навигационных знаков и пассивных радиолокационных маяков для обеспечения безопасного судовождения на внутренних водах.

Известны радиолокационные трехгранные уголковые отражатели, образованные взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными квадратными или секторными гранями [1, 2].

Несмотря на большие ЭПР σ_m в максимуме основного лепестка диаграммы обратного рассеяния они обладают рядом существенных недостатков. Основной из них заключается в ограниченных функциональных возможностях, заключающийся в том, что эти отражатели работают только в радиолокационном диапазоне волн, выполняя функции пассивных отражателей радиоволн в заданном направлении и не обладают функциями активного источника света в оптическом диапазоне волн с целью направленного излучения светосигнальных огней в навигационных целях. Кроме того, в радиолокационном диапазоне волн они имеют наиболее узкие индикатрисы рассеяния.

Так, например, в горизонтальной плоскости ширина основного лепестка диаграммы обратного рассеяния на уровне 0.5 σ_m для секторных граней составляет величину 39°, а для квадратных граней - 32° [1].

Известен трехгранный уголковый отражатель, образованный взаимно перпендикулярными металлическими или металлизированными треугольными гранями [1, 2]. Внутренние отражающие поверхности треугольных граней, при условии, что они велики по сравнению с длиной волны, образуют систему из трех зеркал. Поэтому при падении на них плоской электромагнитной волны, после трехкратного отражения, формируется волна, распространяющаяся в направлении, обратном направлению падения. Свойство обратного отражения сохраняется в широком спектре углов падения электромагнитной волны относительно геометрической оси симметрии отражателя, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Индикатриса обратного рассеяния характеризуется шириной главного лепестка диаграммы рассеяния в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По сравнению с трехгранными уголковыми отражателями с секторными или квадратными гранями, трехгранный уголковый отражатель с треугольными гранями обладает наиболее широкой диаграммой обратного рассеяния главного лепестка, ширина которого как в горизонтальной Δφ_0,5, так и в вертикальной Δθ_0,5 плоскостях на уровне 0.5 σ_m составляет величину 42° [1, 2], т.е.

Причем известно [1], что в области главного лепестка диаграммы обратного рассеяния имеет место трехкратное отражение падающей волны от треугольных граней отражателя. При этом максимум диаграммы рассеяния, или максимум ЭПР σ_m соответствует случаю, когда направление падающей волны совпадает с геометрической осью симметрии отражателя, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва отражателя - главной осью обратного рассеяния. Причем ЭПР в максимуме главного (основного) лепестка σ_m равна [1]

где а - размер ребра в [м],

λ - длина волны в [м].

При этом фазовый центр рассеяния отражателя всегда располагается в его вершине независимо от поляризации падающей электромагнитной волны и ракурса облучения [1].

Трехгранный уголковый отражатель с треугольными гранями отличается такими конструктивными преимуществами, как простота изготовления и механическая жесткость, что и определяет его преимущественное использование в практике судовождения в навигационных целях, несмотря на меньшее значение σ_m [1, 2].

Недостаток трехгранного уголкового отражателя 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 света с целью излучения навигационных светосигнальных огней в заданном направлении в оптическом диапазоне волн в темное время суток.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому навигационному радиооптическому уголковому отражателю направленного действия является электрический светосигнальный прибор направленного действия ЭСПН-140, выполненный на базе автомобильного фонаря-фары и используемый в качестве створного фонаря для обозначения судового хода в темное время суток в оптическом диапазоне волн [3-5]. Этот прибор содержит хромированный или алюминированный параболический отражатель направленного действия, рассеивающее защитное стекло с нанесенными на рассеивателе бороздками, источник света, фотоавтомат управления сигнальным огнем и источник питания постоянного тока. При этом защитное рассеивающее стекло расположено в раскрыве параболического отражателя, и нанесенные на стекло бороздки ориентированы вертикально, а источник света расположен в фокусе параболического отражателя и вместо лампы накаливания [3-5] выполнен в виде полупроводниковой лампы типа ЛПРК 02-2,6, ЛПРЖ 02-2,6, ЛПРЗ 02-5,2 или ЛПРБ 02-5,2 с красным, желтым, зеленым или белым цветом свечения сигнального огня соответственно. При этом полупроводниковая лампа выполнена в виде светового модуля с расположенными в нем восемью светоизлучающими полупроводниковыми диодами, установленными с одинаковым угловым интервалом по окружности в вертикальной плоскости с возможностью взаимного пересечения их углов излучения, и встроенного рефлектора, заключенные в метало-пластмассовом корпусе с цоколем типа В 15S/18 ГОСТ 17100-79 и соответствуют техническим условиям ЯЮКЛ. 432228 ТУ и признаны годными для эксплуатации. Фотоавтомат управления сигнальным огнем выполнен в виде серийно выпускаемого прибора типа ФАУСП (фотоавтоматические устройства светосигнальных приборов), выполняющих функции выключателя - проблескатора [3, 4], а источник питания постоянного тока выполнен в виде сухозаряженной батареи серии «Лиман» 2,6-150 А/ч и соответствует техническим условиям ТУ 3483-019-04707044-99, при этом изолированный вывод цоколя полупроводниковой лампы подключен к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока, а корпус цоколя полупроводниковой лампы через фотоавтомат управления сигнальным огнем подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока, кроме того при использовании в качестве источника света полупроводниковых ламп ЛПРК 02-2,6 или ЛПРЖ 02-2,6 значение номинального напряжения источника питания постоянного тока составляет величину 2,6 В, а для полупроводниковых ламп ЛПРЗ 02-5,2 и ЛПРБ 02-5,2 составляет величину 5,2 В и, таким образом, для электрического питания этих ламп требуется использование двух последовательно включенных сухозаряженных батарей серии «Лиман» 2,6-150 А/ч.

Электрический светосигнальный фонарь направленного действия работает следующим образом.

Так как изолированный вывод цоколя полупроводниковой лампы непосредственно подключен к отрицательному полюсу источника питания, то при подключении корпуса цоколя полупроводниковой лампы через фотоавтомат управления сигнальным огнем к положительному полюсу источника питая, светоизлучающие диоды, входящие в состав светового модуля полупроводниковой лампы, через встроенный рефлектор полупроводниковой лампы, направленно излучают в пространство световой поток, который попадая на параболический отражатель концентрируется им на выходе в направленный узкий пучок большой силы света с угловой шириной 2-3° в вертикальной плоскости [3-5], который затем через рассеивающее стекло с вертикально расположенными на нем бороздками излучается в пространство в заданном направлении. Использование в таких фонарях рассеивающих стекол-рассеивателей, как известно [3, 4], позволяет расширить световой пучок на 5°.

Режим работы светосигнального фонаря, определяется серийно выпускаемыми фотоавтоматами управления сигнальным огнем серии ФАУСП, который, как известно [4] обеспечивает постоянный или проблесковый режим свечения сигнального огня с автоматическим включением и выключением в зависимости от освещенности местности.

Недостаток светосигнального фонаря заключается в ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся в том, что он работает только в оптическом диапазоне волн, выполняя функции активного источника света, обеспечивающего подачу светосигнальных огней в заданном направлении и не работает в радиолокационном диапазоне волн, в качестве пассивного отражателя электромагнитных волн в обратном направлении, противоположном направлению облучения при достаточно большом диапазоне углов падения электромагнитных волн.

На фиг. 1 представлен общий вид навигационного радиооптического уголкового отражателя направленного действия. Где обозначено: 1 - радиолокационный трехгранный уголковый отражатель с треугольными гранями (вид спереди); 2 - радиолокационный трехгранный уголковый отражатель с треугольными гранями (вид сбоку); 3 - источник света, расположенный в вершине трехгранного уголкового отражателя, которая одновременно является его фокусом в оптическом диапазоне волн и фазовым центром рассеяния в радиолокационном диапазоне волн; 4 - плоскость раскрыва трехгранного уголкового отражателя; 5 - геометрическая ось симметрии трехгранного уголкового отражателя, проходящая через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва со стороны внутренних поверхностей отражающих треугольных граней и совпадающая с электрической и оптической осями трехгранного уголкового отражателя соответственно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн; 6 - угол излучения 2α источника света 3 относительно оптической оси, совпадающей с геометрического осью симметрии 5 трехгранного уголкового отражателя.

На фиг. 2 представлена обобщенная структурная электрическая схема автоматического устройства управления источником света 3. В состав устройства входят: источник питания постоянного тока 7, фотоавтомат управления сигнальным огнем 8 и источник света 9, выполненный в виде светоизлучающего полупроводникового диода. При этом катодный вывод светоизлучающего диода подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 7, a его анодный вывод через фотоавтомат управления 8 подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока 7.

На фиг. 3 представлена обобщенная функциональная схема фотоавтомата управления сигнальным огнем 8 серии ФАУСП, выполненная по классической схеме [4], включающего в себя фотодатчик 10, стабилизатор напряжения 11, проблескатор 13 и усилитель 12.

На фиг. 4 представлен фотоснимок навигационного радиооптического уголкового отражателя направленного действия, выполненного в виде трехгранного уголкового отражателя с треугольными гранями с расположенным в его вершине источником света, выполненного в виде светоизлучающего полупроводникового диода с зеленым цветом свечения сигнального огня. Вид спереди.

Навигационный радиооптический уголковый отражатель направленного действия работает одновременно в радиолокационном и оптическом диапазонах волн следующим образом.

В радиолокационном диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический уголковый отражатель, общий вид которого представлен на фиг. 1, работает как обыкновенный радиолокационный трехгранный уголковый отражатель с треугольными плоскими взаимно перпендикулярными металлическими или металлизованными отражающими гранями одинаковых размеров и форме, внутренние поверхности которых 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 электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, обратном направлению падения. Это свойство обратного отражения у радиооптического уголкового отражателя, так же как у радиолокационного трехгранного уголкового отражателя 1, сохраняется в широком спектре углов падения электромагнитной волны относительно геометрической оси симметрии отражателя 5, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 4 со стороны внутренних поверхностей отражающих треугольных граней и совпадающей с электрической осью отражателя в направлении которой ЭПР σ_m максимальна как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, при условии, что все три треугольные грани взаимно перпендикулярны (см. фиг. 1). При этом фазовый центр рассеяния у радиооптического уголкового отражателя располагается в вершине трехгранного уголкового отражателя 1 и находится на электрической оси, проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва 4 и не изменяет своего положения при изменении поляризации падающей электромагнитной волны или ракурса облучения. Пространственная индикатриса обратного рассеяния радиооптического уголкового отражателя, так же как у радиолокационного трехгранного уголкового отражателя, характеризуется шириной главного (основного) лепестка диаграммы обратного рассеяния в горизонтальной Δφ_0.5 и вертикальной ΔQ_0.5 плоскостях, которая, как известно [1], на уровне 0.5 σ_m составляет величину 42° и соответствует трехкратному отражению падающей электромагнитной волны. При этом максимум диаграммы рассеяния или максимум ЭПР σ_m радиооптического уголкового отражателя, соответствует случаю, когда направление падающей электромагнитной волны совпадает с геометрической осью симметрии радиолокационного трехгранного уголкового отражателя (или его электрической осью), проходящей через его вершину перпендикулярно плоскости раскрыва отражателя - главной осью обратного рассеяния. При этом ЭПР радиооптического уголкового отражателя в максимуме главного (или основного) лепестка σ_m, также как и у радиолокационного трехгранного уголкового отражателя с треугольными гранями определяется соотношением (2).

В оптическом диапазоне волн заявляемый радиооитический уголковый отражатель направленного действия работает следующим образом.

Так как катодный вывод светоизлучающего полупроводникового диода подключен непосредственно к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 7, то при подключении его анодного вывода, через фотоавтомат управления сигнальным огнем, к пложительному полюсу источника питания постоянного тока 7 (см. фиг. 2), светоизлучающий диод 9, установленный в вершине радиолокационного трехгранного уголкового отражателя 1, являющейся его фокусом в оптическом диапазоне волн, излучает вдоль его оптической оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях конический световой пучок с угловой шириной 2α≥90°, который, попадая на взаимно перпендикулярные треугольные грани трехгранного уголкового отражателя 1, после трехкратного отражения концентрируется им на выходе в световой пучок большей силы света I_m с угловой шириной на уровне 0.5I_m 42° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Таким образом, угловая ширина светового потока, излучаемого радиооптическим уголковым отражателем на уровне 0.5I_m, в горизонтальной и вертикальной плоскостях в оптическом диапазоне волн совпадает с шириной главного (основного) лепестка диаграммы обратного рассеяния на уровне 0.5 σ_m в этих плоскостях в радиолокационном диапазоне волн и составляют величину 42°.

Управление работой светоизлучающего диода 9 осуществляется фотоавтоматом управления сигнальным огнем 8 (см. фиг. 2), который обеспечивает постоянный или проблесковый режим горения светоизлучающего диода 9 с автоматическим включением и выключением в зависимости от освещенности местности. Фотоавтомат управления сигнальным огнем 8 серии ФАУСП выполняется по классической схеме [3-5] и его обобщенная функциональная схема представлена на фиг. 3. В соответствии с выполняемыми функциями, в состав фотоавтомата входят то или иное сочетание следующих функциональных блоков [4-5]: фотодатчик-выключатель 10, выполненный, как правило, в виде фоторезистора типа СФЗ-1 [4] и являющийся светочувствительной частью фотоавтомата, который вырабатывает сигнал на включение источника света (светоизлучающего полупроводникового диода 9) при освещенности ниже 20-100 лк и на выключение его, если освещенность превышает указанные значения; стабилизатор напряжения 11, который поддерживает на светоизлучающем диоде 9 номинальное напряжение 2,6 В; усилитель 12, непосредственно включающий или выключающий светоизлучающий диод 9 по сигналам фото датчика 10 или проблескатора 13 управляющих режимах работы сигнального огня и проблескатор 13, выполненный в виде мультивибратора, вырабатывающего сигналы, которые подаются на вход усилителя 12 и обеспечивают работу светоизлучающего диода 9 в проблесковом режиме. Причем постоянный или проблесковый режим горения сигнального огня у фотоавтоматов серии ФАУСП устанавливается с помощью специальной перемычки «П», которая подключает проблескатор к источнику питания [4]. При снятой перемычке фотоавтомат работает как выключатель, а при установленной - как проблескатор [4]. Причем цвет сигнального огня красный, зеленый, желтый или белый светоизлучающего полупроводникового диода 9 определяется его типом и задается сложившейся навигационной обстановкой на водных путях.

В 3-см радиолокационном диапазоне волн заявляемый навигационный радиооптический уголковый отражатель направленного действия может быть выполнен на основе трехгранного уголкового отражателя с треугольными гранями изготовленными из фольгированного стеклотекстолита или плоских алюминиевых листов. На фиг. 4, для наглядности представлений, приведен фотоснимок радиооптического уголкового отражателя, в котором взаимно перпендикулярные отражающие треугольные грани трехгранного уголкового отражателя изготовлены из плоских алюминиевых листов с длиной ребра а=53 см и с учетом (2) его максимальная ЭПР σ_m при длине волны λ=3,2 см составляет величину 320 м². В вершине трехгранного уголкового отражателя установлен источник света, выполненный в виде светоизлучающего полупроводникового диода типа LES-STAR-3W с зеленым цветом свечения сигнального огня, работающего от источника питания постоянного тока с номинальным напряжением 2,6 В и 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»-2,6-150 А/2 ТУ 3483-019-04707044-99 с номинальным напряжением 2,6 В и емкостью 150 А/ч. 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 отражающих треугольных граней трехгранного уголкового отражателя, либо могут быть расположены вне его, например, на сигнальных щитах береговых навигационных знаках в составе линейных створ, на котором радиооптический уголковый отражатель направленного действия установлен.

По сравнению с широко используемыми в практике судовождения на внутренних водных путях створных фонарей - фар типа ЭСП-140 работающих только в оптическом диапазоне волн и обеспечивающих только подачу светосигнальных огней в темное время суток для обозначения судового хода, заявляемый навигационный радиооптический уголковый отражатель обладает расширенными функциональными возможностями, поскольку одновременно работает как в оптическом диапазоне волн, обеспечивая подачу светосигнальных огней в темное время суток, так и в радиолокационном диапазоне волн в качестве пассивного отражателя электромагнитных волн и может быть использован как пассивный радиолокационный маяк, работающий как в светлое, так и в темное время суток в составе линейных створ для обозначения судового хода одновременно в оптическом и радиолокационном диапазонах волн.

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. Шмерлинг И.Е. Монтер судоходной обстановки. - М.: «Транспорт», 1972. - 176 с.

4. Шмерлинг И.Е. Монтер судоходной обстановки. - М.: «Транспорт», 1977. - 173 с.

5. Шмерлинг И.Е., Белова Л.Т. Инструкция по содержанию судоходной обстановки на внутренних водных путях. - М.: «Транспорт», 1974. - 160 с.