СПОСОБ КАЛИБРОВКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ ПО ВЕЛИЧИНЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАССЕЯНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАССЕЯНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при калибровке радиолокационных станций (РЛС) по величине эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) при проведении динамических измерений ЭПР исследуемых объектов.

Известен способ калибровки радиолокационной станции, который заключается в следующем. Запускают искусственный спутник Земли (ИСЗ) сферической формы, облучают его сигналами калибруемой РЛС, принимают и измеряют амплитуды отраженных от ИСЗ сигналов, которые используют как соответствующие эталонному значению ЭПР отражателя, [1], стр.204-213.

Недостатком данного способа является невозможность его использования для калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, так как для таких радиолокаторов отражатель сферической формы невидим, [3], стр.103. Другим недостатком способа с использованием сферического отражателя как эталона ЭПР, для РЛС, работающих на волнах горизонтальной, вертикальной, а также круговой поляризации при ортогональном приеме отраженных сигналов, является малая ЭПР сферы, [3], стр.235. Кроме того, изготовить сферу больших размеров с высокой точностью чрезвычайно сложно, а вывести на орбиту почти невозможно, [4], стр.51.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ, в котором в качестве эталонного рассеивателя используется прямой круговой цилиндр, [1], стр.206-213. Такой цилиндр выводится на околоземную орбиту и ему задается «кувыркательное» движение таким образом, чтобы его продольная ось 1 была ориентирована перпендикулярно линии визирования 2 радиолокационной станции 3 (см. фиг.1). Облучают цилиндр сигналами калибруемой РЛС, принимают отраженные сигналы и проводят измерения амплитуд отраженных сигналов при ориентации прямого кругового цилиндра вблизи от этого направления (см. фиг.1), которые могут позволить уточнить калибровку радиолокационной станции, [1], стр.206-213. Однако такой способ имеет невысокую точность, так как в направлении, нормальном оси цилиндра, прямой круговой цилиндр обладает узким лепестком индикатрисы рассеяния, [1], стр.19-20, [3], стр.235. При этом сектор углов, используемый для калибровки РЛС по величине ЭПР, вблизи максимума лепестка индикатрисы рассеяния прямого кругового цилиндра в этом направлении еще более узкий. Любое незначительное отклонение оси прямого кругового цилиндра от нормального по отношению к линии визирования РЛС направления влечет за собой уменьшение мощности и, соответственно, амплитуды сигналов, отраженных от прямого кругового цилиндра, что приводит к ошибкам калибровки РЛС по величине ЭПР. Так, ошибка ориентации направления, нормального оси прямого кругового цилиндра диаметром 1,2 м и длиной 3 м относительно линии визирования РЛС на 1,5 градуса в дециметровом диапазоне работы РЛС, приводит к ошибкам калибровки РЛС по величине ЭПР на 5 дБ, [1], стр.211. С уменьшением длины волны РЛС (в сантиметровом диапазоне при тех же размерах цилиндра) ширина основного лепестка индикатрисы рассеяния в направлении, перпендикулярном оси прямого кругового цилиндра, значительно сужается, [1], стр.223. И, следовательно, ошибка ориентации продольной оси прямого кругового цилиндра в направлении, перпендикулярном линии визирования РЛС, приводит к еще более значительным ошибкам калибровки РЛС по величине ЭПР.

При этом сам сеанс калибровки очень непродолжителен. Например, при периоде «кувыркания» прямого кругового цилиндра 10 минут (600 секунд), [1], стр.213, время, в течение которого можно проводить сеанс калибровки, т.е. вблизи направления ориентации оси цилиндра перпендикулярно направлению на калибруемую РЛС, в дециметровом диапазоне длин волн составит менее двух секунд, а в сантиметровом - менее одной секунды. Такой временной интервал сеанса калибровки не позволяет осуществить достаточное количество единичных измерений отраженного сигнала от уголкового отражателя для проведения статистической обработки результатов измерений, что также снижает точность калибровки РЛС по величине ЭПР.

Кроме того, использовать прямой круговой цилиндр в качестве эталона не всегда возможно, так как такой эталон имеет значительные размеры и вес, [4], стр.37, что не позволяет осуществлять его транспортировку на околоземную орбиту попутными запусками, [1], стр.211.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности калибровки РЛС по величине ЭПР за счет исключения ошибки, вызванной отклонением максимума ЭПР эталонного отражателя от линии визирования РЛС.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе калибровки РЛС по величине ЭПР при проведении динамических измерений ЭПР исследуемых объектов, включающем в себя: запуск отражателя с известной величиной ЭПР на орбиту искусственного спутника Земли (ИСЗ), облучение отражателя сигналами калибруемой РЛС, прием и измерение амплитуды отраженных сигналов от отражателя, находящегося в дальней зоне антенны РЛС, - новым является то, что для калибровки РЛС по величине ЭПР, на орбиту ИСЗ транспортируют в качестве эталона ЭПР уголковый отражатель 4, выполненный в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков 5 и 6, развернутых под фиксированным углом, значения которого лежат в диапазоне от (90-Δ)° до (90+Δ)°, где Δ - определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/a,

λ - длина волны калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя,

(см. фиг.2).

Предварительно, до запуска на орбиту ИСЗ уголковый отражатель 4 помещают в направляющий цилиндрический контейнер 8 так, что продольная ось контейнера 9 совпадает с биссектрисой угла 7 между гранями УО в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО (см. фиг.3). После чего, направляющий цилиндрический контейнер 8 с уголковым отражателем устанавливают на борту космического аппарата 10. В память бортовой вычислительной машины космического аппарата вводят данные о координатах калибруемой РЛС в геодезической системе координат. Наряду с этим, в память бортовой вычислительной машины вводят данные о координатах установки и пространственной ориентации (положении) продольной оси направляющего контейнера в связанной системе координат КА, а также данные о направлении отделения УО (вектор скорости) от КА. С помощью приемников навигационной системы типа «ГЛОНАСС» и/или GPS и бортовой вычислительной машины производят определение положения центра масс космического аппарата относительно местоположения калибруемой РЛС. Затем производят расчет и определяют пространственное положение продольной оси направляющего контейнера относительно линии визирования калибруемой РЛС на текущий момент времени. По расчетным данным бортовой вычислительной машины при помощи системы ориентации космического аппарата осуществляют совмещение продольной оси 9 направляющего контейнера 8 с линией визирования 2 калибруемой РЛС 3 (см. фиг.4). При их совмещении по сигналу, вырабатываемому бортовой вычислительной машиной, уголковый отражатель 4 отделяют от космического аппарата 10 по линии визирования 2 в направлении РЛС 11 или в противоположном от РЛС направлении 12 так, что основной лепесток индикатрисы рассеяния УО 14 направлен на калибруемую РЛС (см. фиг.4). При этом максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния 20 УО 4 совпадает с линией визирования 2 калибруемой РЛС 4 с предельно допустимым значением отклонения угла между максимумом основного лепестка индикатрисы рассеяния уголкового отражателя и линией визирования РЛС в диапазоне от -10° до +10° и осуществляют закрутку (вращение) УО вокруг оси, совпадающей с биссектрисой угла 7 между гранями уголкового отражателя 4 в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО (см. фиг.5, фиг.6).

Кроме того, отделение и закрутку уголкового отражателя производят одновременно.

Кроме того, закрутку уголкового отражателя производят до его отделения от космического аппарата.

Кроме того, частоту закрутки (вращения) ω уголкового отражателя задают в соответствии с условием:

ω>12F_рлсπa/λ,

где F_рлс - частота следования импульсов излучения передатчика калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя;

λ - длина волны калибруемой РЛС.

Кроме того, перед сеансом измерений или во время его проведения проводят калибровку приемников РЛС с помощью калиброванных генераторов, подключаемых к высокочастотному входу приемников РЛС, регистрируют зависимость значений амплитуд сигнала на выходе приемников РЛС от относительного значения мощности (отношения сигнал/шум) сигнала на входе приемников РЛС и получают калибровочный график.

Кроме того, измеренные амплитуды отраженных сигналов от уголкового отражателя регистрируют, а затем по калибровочному графику зависимости значений амплитуд сигнала на выходе приемников РЛС от относительного значения мощности (отношения сигнал/шум) на входе приемников РЛС пересчитывают в значения относительной мощности (отношения сигнал/шум) отраженных от уголкового отражателя сигналов.

Кроме того, с помощью калибруемой РЛС измеряют наклонную дальность до уголкового отражателя.

Кроме того, значения относительной мощности отраженных от уголкового отражателя сигналов пересчитывают (приводят) к фиксированной дальности, например 100 км, по формуле:

Pi=Bi+40LogRi/100,

где Bi - единичное измеренное значение относительной мощности отраженного сигнала от уголкового отражателя;

Ri - единичное измеренное калибруемой РЛС значение наклонной дальности до уголкового отражателя, соответствующее данному Bi.

Кроме того, осуществляют калибровку РЛС по величине эффективной поверхности рассеяния (выполняют сеанс измерений) на интервале времени ΔT:

ΔT=t₂-t₁,

где t₁ - время начала сеанса измерений (калибровки РЛС);

t₂ - время окончания сеанса измерений (калибровки РЛС);

а ΔT может принимать значения в диапазоне от 10 до 600 секунд.

Кроме того, приведенные к фиксированной дальности единичные значения относительной мощности отраженных от уголкового отражателя сигналов усредняют по формуле:

,

где n - число результатов единичных измерений на интервале времени ΔT.

Кроме того, усредненное значение P_cp используют как значение относительной мощности отраженных сигналов, соответствующее эталонному значению эффективной поверхности рассеяния уголкового отражателя.

Кроме того, закрутку (вращение) уголкового отражателя 4 осуществляют либо «по часовой стрелке» 15, либо «против часовой стрелки» 16 (см. фиг.5, фиг.6), относительно направления отделения уголкового отражателя.

Кроме того, направляющий контейнер 8 с уголковым отражателем 4 отделяют от космического аппарата 10 в направлении РЛС 11 или в противоположном от РЛС направлении 12 так, чтобы продольная ось контейнера была направлена вдоль линии визирования 2 калибруемой РЛС (см. фиг.7).

Кроме того, осуществляют закрутку направляющего контейнера 8 с уголковым отражателем 4 вокруг продольной оси контейнера 9 либо «по часовой стрелке» 17, либо «против часовой стрелки» 18 (см. фиг.8).

Кроме того, уголковый отражатель 4 выталкивают (отстреливают) из вращающегося контейнера 8 в направлении РЛС 19 так, что основной лепесток индикатрисы рассеяния уголкового отражателя направлен на калибруемую РЛС (см. фиг.9, фиг.7), а максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния уголкового отражателя совпадает с линией визирования калибруемой РЛС с предельно допустимым значением отклонения угла между максимумом основного лепестка индикатрисы рассеяния уголкового отражателя и линией визирования РЛС в диапазоне от -10° до +10°.

Кроме того, задают круговую частоту закрутки ω (вращения) контейнера с уголковым отражателем в соответствии с условием:

ω>12F_рлсπa/λ,

где F_рлс - частота следования импульсов излучения передатчика калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя;

λ - длина волны калибруемой РЛС.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.2 - фиг.16.

На фиг.2 представлен уголковый отражатель 4 в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков 5 и 6 радиусом a. На фиг.3 - направляющий цилиндрический контейнер 8 с УО 4, причем продольная ось контейнера 9 совмещена с биссектрисой угла 7 между гранями УО в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО 4. На фиг.4 представлены варианты отделения УО 4 от КА 10, где 9 - продольная ось направляющего цилиндрического контейнера 8, 2 - линия визирования калибруемой РЛС, 11 - отделение УО в направлении РЛС, 12 - отделение УО в противоположном от РЛС направлении, 14 - основной лепесток индикатрисы рассеяния вращающегося УО 4, 20 - максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния вращающегося УО 4. На фиг.5, фиг.6 - варианты закрутки УО 4. На фиг.7 представлены варианты отделения вращающегося направляющего цилиндрического контейнера 8 в направлении РЛС 11 или в противоположном от РЛС направлении 12, где 4 - уголковый отражатель, 2 - линия визирования РЛС, 14 - основной лепесток индикатрисы рассеяния вращающегося УО 4, 20 - максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния вращающегося УО 4. На фиг.8 представлены варианты закрутки направляющего цилиндрического контейнера. На фиг.9 показано выталкивание (отстрел) УО 4 (при сохранении вращения УО) из вращающегося направляющего цилиндрического контейнера 8 в направлении РЛС 19. На фиг.10 показано предельно допустимое отклонение максимума основного лепестка индикатрисы рассеяния 20 вращающегося УО 4 от линии визирования 2 калибруемой РЛС 4 (от -10° до +10°). На фиг.11 представлен калибровочный график зависимости значений амплитуд сигнала Ai на выходе приемников РЛС от относительного значения мощности Bi сигнала на входе приемников РЛС. На фиг.12 представлена схема проведения сеанса измерений (калибровки РЛС), где 2 - линия визирования калибруемой РЛС 3, 20 - максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния 20 вращающегося УО 4, позиция 21 - положение УО 4 в момент времени, соответствующий началу сеанса измерений (калибровки РЛС), а позиция 22 - положение УО 4, соответствующее моменту времени окончания сеанса измерений (калибровки РЛС). На фиг.13 приведен уголковый отражатель, выполненный в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков, развернутых под фиксированным углом в диапазоне от (90-Δ)° до (90+Δ)°, где Δ определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/a,

λ - длина волны калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя,

вращающийся вокруг биссектрисы угла между гранями УО в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО. На фиг.14 представлены сечения плоскостями XOY и XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния уголкового отражателя, изображенного на фиг.13. Для сравнения представлены: на фиг.15 уголковый отражатель, выполненный в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков с прямым углом между гранями в статическом состоянии (неподвижный); на фиг.16 сечения плоскостями XOY и XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния статического (неподвижного) уголкового отражателя, выполненного в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков с прямым углом между гранями.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

На борту КА 10 размещают установленный в контейнере 8 уголковый отражатель 4 (см. фиг.4). В память бортовой вычислительной машины космического аппарата вводят данные о координатах калибруемой РЛС в геодезической системе координат. Кроме того, в память бортовой вычислительной машины вводят данные о координатах установки и пространственной ориентации (положения) продольной оси направляющего контейнера 8 в связанной системе координат космического аппарата, а также данные о направлении отделения (векторе скорости 11 или 12) уголкового отражателя 4 от космического аппарата 10 (см. фиг.4). С использованием приемников навигационной системы типа «ГЛОНАСС» и/или GPS и бортовой вычислительной машины производят определение положения центра масс космического аппарата относительно местоположения калибруемой РЛС. С помощью бортовой вычислительной машины КА производят расчет и определяют пространственное положение продольной оси направляющего контейнера относительно линии визирования калибруемой РЛС на текущий момент времени. По расчетным данным бортовой вычислительной машины при помощи системы ориентации космического аппарата осуществляют совмещение продольной оси 9 направляющего контейнера 8 с линией визирования 2 калибруемой РЛС. При их совмещении по сигналу, формируемому бортовой вычислительной машиной космического аппарата, уголковый отражатель 4 отделяют от космического аппарата 10 по линии визирования 2 в направлении РЛС 11 или в противоположном от РЛС направлении 12. Отделение УО производят так, что основной лепесток индикатрисы рассеяния 14 уголкового отражателя 4 направлен на калибруемую РЛС (см. фиг.4), а максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния 20 уголкового отражателя 4 совпадает с линией визирования 2 калибруемой РЛС 4 с предельно допустимым значением отклонения угла между максимумом основного лепестка индикатрисы рассеяния УО и линией визирования РЛС в диапазоне от -10° до +10° (см. фиг.10). Дополнительно уголковому отражателю 4 придается вращательное движение вокруг оси, совпадающей с биссектрисой угла 7 между гранями уголкового отражателя в плоскости, перпендикулярной середине ребра уголкового отражателя (см. фиг.5, фиг.6). Вращение (закрутка) УО может осуществляться либо в направлении движения по «часовой стрелки» 15, либо против «часовой стрелки» 16 (см. фиг.5, фиг.6).

Перед сеансом измерений или во время его проведения проводят калибровку приемников РЛС одним из известных методов калибровки радиотехнических устройств, [1], стр.194; [5], с помощью калиброванных генераторов, подключаемых к высокочастотному входу приемников РЛС [2]. Регистрируют зависимость значений амплитуд сигнала на выходе приемников РЛС от относительного значения мощности сигнала на входе приемников РЛС и получают калибровочный график (см. фиг.11). Сеанс измерений (калибровки РЛС) начинают после того, как КА и УО разойдутся на расстояние, большее разрешающей способности по дальности калибруемой РЛС. Облучают УО сигналами калибруемой РЛС, принимают отраженные сигналы от УО, а также регистрируют амплитуды отраженных сигналов от УО и измеряют их на интервале времени ΔT:

ΔT=t₂-t₁,

где t₁ - время начала сеанса измерений (калибровки РЛС);

t₂ - время окончания сеанса измерений (калибровки РЛС).

Причем ΔT может принимать значения в диапазоне от 10 до 600 секунд (позиция 21 представляет положение УО в момент времени t₁, а позиция 22 представляет положение УО в более позднее временя t₂) (см. фиг.12). Затем по калибровочному графику зависимости значений амплитуд сигнала на выходе приемников РЛС от относительного значения мощности сигнала на входе приемников РЛС пересчитывают в значения относительной мощности (отношения сигнал/шум) отраженных сигналов от УО с помощью известных формул интерполяции, [6], стр.14-19. С помощью калибруемой РЛС измеряют наклонную дальность до УО. Значения относительной мощности отраженного сигнала от УО пересчитывают (приводят) к фиксированной дальности, например 100 км, по формуле:

Pi=Bi+40LogRi/100,

где Bi - единичное измеренное значение относительной мощности отраженного сигнала;

Ri - единичное измеренное значение дальности калибруемой РЛС до отражателя, соответствующее данному Bi.

«Приведенные» к фиксированной дальности значения относительной мощности отраженных сигналов от уголкового отражателя усредняют по формуле:

,

где n - число результатов единичных измерений на интервале времени ΔT. Полученное усредненное значение P_cp используют при измерениях ЭПР баллистических и космических объектов как значение относительной мощности отраженных сигналов, соответствующее эталонному значению ЭПР уголкового отражателя.

Использование уголкового отражателя, выполненного в виде двух граней из плоских радиоотражающих полудисков, и установление значений угла между гранями в диапазоне от (90-Δ)° до (90+Δ)° позволяют достичь «уплощения» формы основного лепестка индикатрисы рассеяния УО в горизонтальной плоскости. Тем самым сектор углов индикатрисы рассеяния УО в горизонтальной плоскости, в котором его ЭПР практически не меняется, достигает ±10°, [3], стр.150, рис.4.7, кривые 2, 3.

При этом Δ определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/a,

где λ - длина волны калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя.

Использование вращающегося уголкового отражателя вокруг оси, совпадающей с биссектрисой угла между гранями УО в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО, позволяет сохранить ориентацию основного лепестка индикатрисы рассеяния и обеспечить постоянное значение ЭПР уголкового отражателя в направлении РЛС в течение всего сеанса измерений (сеанса калибровки РЛС по величине ЭПР).

Применение закрутки уголкового отражателя 4 с круговой частотой

ω>12F_рлсπa/λ,

где F_рлс - частота следования импульсов излучения передатчика калибруемой РЛС;

a - радиус полудиска грани уголкового отражателя;

λ - длина волны калибруемой РЛС,

позволяет получить эффективный отражатель с относительно широкой индикатрисой рассеяния 18, не менее 30° на уровне - 3 дБ (при условии 2πa/λ>>1 и «уплощенной» формой основного лепестка индикатрисы рассеяния в двух плоскостях - вертикальной и горизонтальной (см. фиг.13, 14). Причем ширина основного лепестка индикатрисы рассеяния вращающегося уголкового отражателя вокруг оси, совпадающей с биссектрисой угла между гранями в плоскости, перпендикулярной середине ребра УО в вертикальной и горизонтальной плоскостях, - одинакова и при этом равна ширине основного лепестка индикатрисы рассеяния статического (неподвижного) уголкового отражателя в горизонтальной плоскости 24 (см. фиг.15, 16). Тем самым сектор углов основного лепестка индикатрисы рассеяния УО, в котором его ЭПР практически не меняется и в вертикальной, и в горизонтальной плоскостях, достигает 20° (±10°) (см. фиг.14), что позволяет значительно увеличить интервал времени сеанса калибровки.

Проведение пересчета значений относительной мощности к стандартной дальности позволяет исключить зависимость выполняемых измерений от изменения расстояния между РЛС и УО в течение сеанса измерений (сеанса калибровки РЛС по величине ЭПР).

Полученное в результате статистической обработки единичных измерений P_cp существенно точнее единичного значения Pi, а именно: случайные погрешности уменьшатся в раз, где n - число результатов единичных измерений на интервале времени ΔT.

Малый объем, занимаемый контейнером с уголковым отражателем, при калибровке РЛС в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн позволяет установить их на КА требуемое количество и проводить калибровку РЛС по мере необходимости (см. фиг.4, 7).

Из вышеизложенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными способами калибровки РЛС, а именно, позволяют повысить точность калибровки РЛС по величине ЭПР при проведении динамических измерений ЭПР баллистических и космических объектов.

По материалам заявки на предприятии было проведено моделирование процессов калибровки РЛС при проведении динамических измерений ЭПР, подтвердившее достижение вышеназванного технического результата.

Источники информации

1. Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, под редакцией М.А.Колосова, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М.: Советское радио, 1972 г., стр.19-20, стр.144-145, стр.178-179, стр.193-194, стр.204-213.

2. Олин (I.D.Olin), Динамические измерения радиолокационных поперечных сечений, ТИИЭР, 1965, т.53, №8.

3. В.О.Кобак, под редакцией О.Н.Леонтьевского, Радиолокационные отражатели, М.: Советское радио, 1975 г., стр.103, 144, 146, 150, 152, 235.

4. А.И.Леонов, С.А.Леонов, Ф.В.Нагулинко и др., под редакцией А.И. Леонова, Испытания РЛС, М.: Радио и связь, 1990 г., стр.37, стр.51.

5. Проверка радиоизмерительных приборов. Сборник инструкций, издание официальное. Стандартгиз, 1961.

6. Н.Джонсон, Ф.Лион, Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных, M.: Мир, 1980 г., стр.14-19.

7. М.Сколник, под редакцией Я.С.Ицхоки, Справочник по радиолокации, T.1, М.: Советское радио, 1976 г., стр.356-397.