Устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокационным измерениям, и может быть использовано при создании радиолокационных измерительных комплексов (РИК).

Известно устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов [см. "Теоретические основы радиолокации", под ред. Я.Д. Ширмана, М., "Сов. радио", 1970, с. 221]. Также известно устройство позволяющее измерять такую радиолокационную характеристику как ЭПР объектов - радиолокационная станциях [см. патент России №2217774, G01S 13/00, G01R 29/08].

Недостатком известных устройств является то, что получаемая с них радиолокационная информация имеет ограниченный характер. Измерения проводятся на одной частоте. По результатам измерений невозможно получить радиолокационные характеристики объекта при его локации сложными сверхширокополосными сигналами.

Наиболее близким по технической сущности устройством является устройство для измерения эффективной поверхности рассеяния объектов [см. патент России №2332685, G01S 13/00, G01R 29/08].

Устройство для измерения эффективной поверхности рассеяния объектов содержит передатчик, приемник, поворотную платформу с объектом измерений, N-элементную передающую антенну, М-элементную приемную антенну, привод приемной антенны, блок оценки РЛХ, блок компенсации паразитных сигналов, переключатель элементов передающей антенны, при этом первый выход передатчика соединен с переключателем элементов передающей антенны, выход переключателя соединен с передающими элементами антенны, облучающими измеряемый объект, приемная антенна соединена с первым входом приемника через блок компенсации паразитных сигналов, выход которого соединен с входом блока оценки РЛХ объектов, первый выход блока оценки РЛХ соединен с приводом приемной антенны, второй выход блока оценки РЛХ соединен с поворотной платформой, третий выход блока оценки РЛХ соединен с переключателем элементов передающей антенны, а выход бока компенсации соединен с входом приемника, паразитные сигналы компенсируются блоком компенсации.

Недостатком наиболее близкого технического решения является низкая точность оценки РЛХ объекта при его локации сложными сверхширокополосными (СШП) сигналами, обусловленная тем, что результаты измерений получают на одной (заранее выбранной) частоте. Отсутствует возможность оценки РЛХ объекта при различных направлениях и дальностях приема рассеянных сигналов на этапе обработки, обусловленная тем, что рассеянное объектом поле принимается приемной антенной всеми элементами одновременно. В этом случае на вход блока оценки РЛХ поступает интегральное по всем элементам приемной антенны значение, что не позволяет проводить оценку РЛХ посредством апостериорной весовой обработки сигналов, принятых каждым элементом приемной антенны в отдельности.

Задачей предложенного изобретения является расширение технических возможностей устройства для измерения радиолокационных характеристик объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки радиолокационных характеристиках объекта при его локации сложными СШП сигналами, за счет получения результатов измерения объекта при облучении его набором моногармонических сигналов, совместная обработка которых позволяет учесть суммарный эффект, создаваемый отдельными гармониками СШП сигнала [см. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х частях ч. Ч. 2: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 360 с., ил. с. 282], а также проводить оценку РЛХ для различных направлений и дальностей приема за счет обработки результатов измерений, полученных каждым элементом приемной антенны в отдельности.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов, содержащее передатчик, приемник, поворотную платформу с объектом измерений, N-элементную передающую антенну, М-элементную приемную антенну, привод приемной антенны, блок оценки РЛХ, блок компенсации паразитных сигналов, переключатель элементов передающей антенны, отличается тем, что дополнительно введены: переключатель элементов приемной антенны, а передатчик и приемник выполнены Р-канальными по частоте, с возможностью выбора р-й частоты, выход передатчика соединен с переключателем элементов передающей антенны, выход переключателя элементов передающей антенны соединен с i-м элементом передающей антенны, облучающим объект измерений, j-й элемент приемной антенны соединен с входом переключателя элементов приемной антенны, выход переключателя элементов приемной антенны соединен с входом приемника, выход приемника соединен с входом блока компенсации паразитных сигналов, выход блока компенсации паразитных сигналов соединен с первым входом блока оценки РЛХ, второй вход блока компенсации паразитных сигналов соединен с седьмым выходом блока оценки РЛХ, первый выход блока оценки РЛХ соединен с входом передатчика, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока оценки РЛХ соединены соответственно с переключателем элементов передающей антенны, поворотной платформой, приводом приемной антенны, переключателем элементов приемной антенны, приемником.

Предлагаемая конструкция устройства для измерения радиолокационных характеристик позволяет за один цикл измерений оценить радиолокационные характеристики объектов при их локации сложными широкополосными сигналами в верхней полусфере применительно к различным вариантам направлений и дальностей приема.

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков, идентичных всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию охраноспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного устройства, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого изобретения на указанный заявленный технический результат, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение "устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов" промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его осуществления, работоспособность и воспроизводимость и для его реализации могут быть использованы известные материалы и оборудование.

Сущность изобретения состоит в следующем. Известно, что для линейных систем выполняется принцип суперпозиции, согласно которому если известна реакция линейной системы A_i на совокупность воздействий S_i:

где L - оператор, полностью описывающий линейную систему,

то в случае воздействия на линейную систему в виде линейной комбинации воздействий S_i:

реакцией линейной системы будет линейная комбинация вида:

Исходя из линейности процессов формирования, распространения, приема и взаимодействия с объектом электромагнитных волн, описываемых линейными уравнениями Максвелла, все эффекты, которые возникают при распространении сложного СШП сигнала, можно представить в виде суммы эффектов, создаваемых отдельными гармониками. Согласно принципу суперпозиции для линейных систем при применении тестирующих сигналов S_i, если необходимо определить результат зондирования A_Σ при применении зондирующего сигнала S_Σ, который представляется с ограниченной точностью в виде взвешенной суммы сигналов с известными коэффициентами α_i, то А_Σ может быть определен без проведения дополнительных экспериментов, как взвешенная сумма (суперпозиция) ранее полученных результатов зондирования А_i, причем с теми же коэффициентами α_i:

Коэффициенты α_i могут быть найдены из решения неравенства (например, методом наименьших квадратов):

При этом точность получаемых оценок РЛХ объекта при его локации сложным СШП сигналом определяется набором спектральных составляющих ω_i=ω₁+(i-1)Δω. Согласно теореме Котельникова:

где ω_mах - максимальная частота в спектре зондирующих сигналов, S_Σ(ω) - находится согласно преобразованию Фурье:

где F{} - дискретное преобразование Фурье [см. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х частях ч. Ч. 2: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 360 с., ил. с. 282].

Многоканальная регистрация элементами приемной антенны позволяет проводить оценку РЛХ для различных направлений и дальностей приема за счет аналогичной весовой обработки результатов измерений на основе принципа суперпозиции. В этом случае необходимо рассчитать коэффициенты β_j для выбранных направления ϕ и дальности r приема рассеянного объектом сигнала:

где U_Σ(ϕ,r,ω) - сигнал, в поле которого необходимо получить отклик объекта измерений, U_j(ω) - j-й приемный сигнал.

Тогда рассеянный объектом сигнал в направлении ϕ и дальности r может быть оценен согласно выражению:

где А_ij(ω) - результаты измерений при облучении объекта i-м зондирующим сигналом и приеме j-м полем приемного сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения РЛХ объектов. На фиг. 2 представлен алгоритм работы блока оценки РЛХ.

Устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов содержит передатчик 1, М-элементную передающую антенну 2, N-элементную приемную антенну 3, приемник 4, блок оценки РЛХ 5, блок компенсации паразитных сигналов 6, поворотную платформу 7, привод приемной антенны 8, объект измерения 9, переключатель элементов передающей антенны 10, переключатель элементов приемной антенны 11.

Выход передатчика соединен с переключателем элементов передающей антенны, выход переключателя элементов передающей антенны соединен с i-м элементом передающей антенны, облучающим объект измерений, j-й элемент приемной антенны соединен с входом переключателя элементов приемной антенны, выход переключателя элементов приемной антенны соединен с входом приемника, выход приемника соединен с входом блока компенсации паразитных сигналов, выход блока компенсации паразитных сигналов соединен с первым входом блока оценки РЛХ, второй вход блока компенсации паразитных сигналов соединен с седьмым выходом блока оценки РЛХ, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы блока оценки РЛХ соединены соответственно с переключателем элементов передающей антенны, поворотной платформой, приводом приемной антенны, переключателем элементов приемной антенны, приемником.

Устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов может быть выполнено с использованием следующих функциональных элементов.

Передатчик 1 и приемник 4 могут быть выполнены на базе одного устройства - векторный анализатор цепей Rohde&Schwarz ZVB20.

М-элементная передающая антенна 2 может быть выполнена в виде решетки антенных элементов, расположенных на четверти окружности Satimo SG 3000М, радиус выбирается из условия охвата объекта.

N-элементная приемная антенна 3 аналогична передающей антенне, а радиус выбирается меньше радиуса передающей антенны из условия обеспечения беспрепятственного вращения приемной антенны вокруг объекта.

Блок оценки РЛХ 5 обеспечивает управление и синхронизацию всех блоков устройства, а также хранение и обработку результатов измерений и может быть реализован на персональной ЭВМ типа IBM.

Блок компенсации 6 может быть собран на стандартных электрически управляемых аттенюаторах и фазовращателях, а также может быть реализован в виде компенсационного канала в аппаратуре или путем последующей математической обработки.

Привод приемной антенны 8 может быть выполнен на базе стандартного мотор-редуктора (шагового двигателя) с пускорегулирующим устройством.

Переключатели элементов передающей 13 и приемной 14 антенн могут быть выполнены на стандартных полупроводниковых элементах.

Остальные блоки и устройства, входящие составной частью в устройство для измерения РЛХ, выполняются по типовым требованиям для данных устройств.

Устройство для измерения радиолокационных характеристик объектов работает следующим образом.

Объект измерений 9 удаляется с поворотной платформы. Блок оценки РЛХ 5 выдает управляющие команды на поворотную платформу 7 и привод приемной антенны 8 для позиционирования их в нулевые угловые координаты (начальное положение), а на блок компенсации паразитных сигналов 6 - команду об измерении параметров паразитных сигналов. Затем блок оценки РЛХ 5 подает сигналы на переключатели элементов передающей 10 и приемной 11 антенн о подключении первого элемента. Блок оценки РЛХ выдает команду на передатчик 1 о генерации сигнала на частоте ω₁, а на приемник - команду о приеме сигнала на частоте ω₁. Высокочастотное колебание поступает через переключатель передающих элементов на первый элемент передающей антенны 2. Рассеянный элементами конструкции устройства сигнал (паразитный) принимается первым элементом приемной антенны 3 и поступает через приемник на блок компенсации паразитных сигналов 6, где сохраняются его параметры (амплитуда, фаза, частота, поляризация). Затем блок оценки РЛХ выдает команду на передатчик 1 о генерации сигнала на частоте ω₂, а на приемник - команду о приеме сигнала на частоте ω₂. Параметры сигналов сохраняются на блоке компенсации паразитных сигналов 6. Когда измерения проведены на всех Ρ частотах, блок оценки РЛХ подает команду на переключатель элементов приемной антенны о подключении второго элемента. Измерения проводятся на всех Ρ частотах. Когда измерения проведены для всех M приемных элементов, блок оценки РЛХ подает команду на переключатель элементов передающей антенны о подключении второго элемента и измерения проводятся для всех Р частот и всех М элементов приемной антенны. Когда измерения проведены для всех N элементов передающей антенны блок оценки РЛХ подает команду на привод приемной антенны о смещении на один угловой шаг равный R - радиус передающей антенны. Измерения проводят для всех N элементов передающей и М приемной антенн и всех Р частот. Затем блок оценки РЛХ подает команду на привод приемной антенны о смещении на один угловой шаг равный и измерения проводят для всех N элементов передающей и М приемной антенн и всех Р частот. Когда приемная антенна делает полный оборот вокруг объекта (360 град.) блок оценки РЛХ подает команду на поворотную платформу о смещении на один угловой шаг равный и измерения проводят для всех N элементов передающей и М приемной антенн, всех Р частот и для всех положений приемной антенны. Когда поворотная платформа делает полный оборот (360 град.) и получены результаты измерений для всех N элементов передающей и М приемной антенн, всех Р частот и для всех положений приемной антенны и всех положений платформы, на платформу устанавливают объект измерений 9. Блок оценки РЛХ 5 выдает управляющие команды на поворотную платформу 7 и привод приемной антенны 8 для позиционирования их в нулевые угловые координаты (начальное положение), а на блок компенсации паразитных сигналов команду о измерении рассеянных объектом сигналов. Проводят полный цикл измерений аналогично описанному выше для всех N элементов передающей и М приемной антенн, всех Р частот и для всех положений приемной антенны и всех положений платформы, причем измеренные данные сохраняются на блоке оценки РЛХ с учетом компенсации предварительно измеренных параметров паразитных сигналов.

По результатам измерений проводят обработку зарегистрированных данных согласно принципу суперпозиции для линейных систем и получают оценку РЛХ объекта при его локации СШП сигналом в требуемых направлении и дальности приема.