способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля

Формула изобретения

Способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне установки основан на измерении диаграммы ЭПР гантельного отражателя выполненного из двух жестко соединенных металлических шаров одного радиуса, причем гантельный отражатель размещают в аттестуемой измерительной зоне горизонтально так, чтобы центр одного шара находился на оси поворотного устройства, а второй на границе измерительной зоны, после чего вращают гантельный отражатель и одновременно измеряют и регистрируют его диаграмму ЭПР, по формуле (4) рассчитывают угловое положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в плоском поле:



где - рабочая длина волны антенны измерительной установки;

h - длина гантельного отражателя (расстояние между центрами шаров),

на измеренной диаграмме ЭПР гантельного отражателя отсчитывают угловые положения ее нулей, определяют угловое смещение _n n-го нуля измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя по отношению к угловому положению n-го нуля, рассчитанного по формуле (4), после чего по формуле (9) рассчитывают значение отставания фазы _n поля в измерительной зоне напротив n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя:



для определения фазового распределения поля в измерительной зоне рассчитанные значения отставания фазы _n в волновом фронте откладывают на графике зависимости фазы поля от удаления от центра измерительной зоны и соединяют плавной линией, положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в фазовом фронте поля определяют по формуле (5)



кроме того, амплитудное распределение в измерительной зоне определяют по линии, огибающей максимумы лепестков измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя, значения которой нормируют на максимальное значение амплитуды, когда ось гантельного отражателя совпадет с электрической осью антенны установки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для аттестации амплитудного и фазового распределений электромагнитного поля (далее поля) в измерительной зоне установок для измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей.

Известен способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля с помощью зонда, выполненного в виде рупорной антенны (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.102, рис.3.34). Зонд устанавливают с возможностью перемещения в измерительной зоне установки в трех ортогональных направлениях, и через кабель подключают к измерительной аппаратуре - амплифазографу. Этот способ аттестации может быть реализован в закрытых помещениях - безэховых камерах (БЭК), но он не обеспечивает аттестацию амплитудного и фазового распределения поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли. Кроме того, для аттестации фазового распределения поля этим способом требуется фазометрическая аппаратура, которая в установках для измерения ЭПР не предусмотрена.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля с помощью пассивного отражающего зонда - металлического шара и установки, содержащей аппаратуру для измерения амплитуды и фазы отраженного поля (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.106). Известный способ состоит в перемещении шара в плоскости, параллельной фазовому фронту падающей волны, с одновременным измерением амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне установки.

Этот способ позволяет аттестовать поле в измерительной зоне установок, расположенных в БЭК, но не пригоден для аттестации поля в измерительной зоне установок, расположенных на открытых площадках, когда измерительная зона находится высоко над поверхностью земли. Кроме того, для аттестации фазового распределения поля этим способом требуется фазометрическая аппаратура, которая в установках для измерения ЭПР не предусмотрена.

Технический результат изобретения - возможность измерения амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли, и уменьшение стоимости измерительной аппаратуры.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема крепления гантельного отражателя в измерительной зоне установки.

На чертеже введены обозначения: 1 - измерительная зона установки; 2 - гантельный отражатель; 3 - стропы подвески гантельного отражателя; 4 - стропы оттяжки; 5 - несущий трос системы подвески объектов измерения; 6 - поворотное устройство вращения объектов измерения; 7 - мачты системы подвески объектов измерения.

Измерительная зона 1 характеризуется диаметром, высотой ее центра над поверхностью земли, которая должна быть больше половины диаметра, и распределениями амплитуды и фазы падающего поля. Гантельный отражатель характеризуется длиной, которая должна быть не меньше половины диаметра измерительной зоны, и радиусом металлических шаров, которые должны быть равны.

На фиг.2 приведены геометрические построения, необходимые для составления формул для расчета распределения фазы поля и определения распределения амплитуды поля в измерительной зоне установки.

На чертеже введены обозначения: х, y - абсцисса и ордината декартовой системы координат; h - длина гантельного отражателя 2; h_x и h_y - проекции длины гантельного отражателя на соответствующие оси системы координат при его повороте в горизонтальной плоскости на угол , который отсчитывается от оси ординат.

На фиг.3 приведены четверть (0-90°) измеренной и нормированной на максимальное значение диаграммы ЭПР гантельного отражателя (сплошная ломаная линия), распределения фазы (сплошная плавная линия), полученное расчетным путем, и амплитуды (пунктирная линия) поля в измерительной зоне установки.

На фиг.4 приведена измерительная трасса установки 8 для измерения ЭПР объектов.

Теоретические предпосылки изобретения

Известно, что основной причиной фазовых неоднородностей поля в дальней зоне излучения антенны является сферичность волнового фронта. Оценка максимальной неоднородности - отставания фазы _max в отраженном поле производится по формуле (I):

R - расстояние (дальность) от антенны до центра измерительной зоны 1;

L - диаметр измерительной зоны 1;

- рабочая длина волны антенны измерительной установки 8. Докажем, что аттестацию распределения фазы и амплитуды поля в измерительной зоне 1 установки 8 можно произвести, измеряя только диаграмму ЭПР зонда, выполненного в виде гантельного отражателя 2, состоящего из двух жестко соединенных на расстоянии не менее половины диаметра измерительной зоны металлических шаров одинакового радиуса (фиг.1 и 4). Для чего измеряют диаграмму ЭПР гантельного отражателя в аттестуемой измерительной зоне 1 установки 8 и отсчитывают углы, соответствующие положениям нулей диаграммы ЭПР для определения фазового распределения поля, и проводят плавную линию, огибающую максимумы лепестков диаграммы ЭПР, которая является амплитудным распределением поля в измерительной зоне 1. Кроме того, определяют угловое положение нулей теоретической диаграммы гантельного отражателя 2 для плоского поля. По разности значений угловых положений соответствующих нулей двух диаграмм ЭПР рассчитывают фазовое распределение поля в измерительной зоне 1.

При измерении диаграммы ЭПР гантельного отражателя 2 один шар подвешивают в центре измерительной зоны в горизонтальной плоскости соосно оси поворотного устройства 6, а второй - на границе измерительной зоны (фиг.1).

Для расчета и определения распределений поля, используя построения на фиг.2, запишем формулы:

h_y=h·cos , h_x=h·sin , =4 h·sin / ,

где h - длина гантельного отражателя (расстояние между центрами шаров);

- угол поворота оси гантельного отражателя в горизонтальной плоскости, отсчитанный от оси у;

h_y и h_x - проекции длины гантельного отражателя на оси у и х при его повороте на угол ;

- фаза вторичного излучения второго шара гантельного отражателя по отношению к фазе вторичного излучения первого шара;

- рабочая длина волны антенны измерительной установки 8.

Теоретическая диаграмма ЭПР гантельного отражателя в плоском падающем поле ( ) описывается известной формулой,

где ₁ и ₂ - ЭПР первого и второго шара.

При равенстве радиусов шаров их ЭПР равны ₁= ₂= . В этом случае формула (2) принимает вид:

Из формулы (3) следует, что нули диаграммы ЭПР гантельного отражателя ( )=0, измеренной в плоском поле, будут наблюдаться при условии

cos(4 h·sin _n/ )]=-1. Это условие выполняется при нечетном значении , когда соблюдается равенство 4 h·sin _n/ =(2n-1)· , где n=1, 2, 3 Из последнего равенства следует, что угловое положение n-го нуля диаграммы ЭПР в плоском поле в функции азимута оси гантельного отражателя рассчитывается по формуле:

Соответствующее ему значение проекции длины гантельного отражателя y_n на фазовый фронт и ось у будет описываться формулой:

Максимально возможное количество нулей n_max в четверти (0-90°) круговой диаграммы ЭПР гантели определяют из условия, что у_n=0 (ось гантельного отражателя совпадает с электрической осью антенны). В этом случае h=(2n_max-1)· /4, а n_mах=2h/ (округлено до целого числа).

Сравнивая положения нулей диаграммы ЭПР гантели в плоском поле, полученной расчетным путем, с положением нулей в измеренной диаграмме ЭПР, определяют фазовую неоднородность поля в аттестуемой измерительной зоне.

Для чего запишем диаграмму ЭПР гантели в сферическом волновом фронте:

где - искомое отставание фазы в сферическом волновом фронте;

- изменение положения нуля в диаграмме ЭПР, обусловленное отставанием фазы поля в измерительной зоне по отношению к фазе в ее центре.

Значения ЭПР гантельного отражателя, измеренного в сферическом волновом фронте, будут равны нулю, когда соблюдается равенство:

соs[(4 h·sin( + )/ ,+ _x]=-1. Это равенство соблюдается при нечетном значении, когда 4 h·sin( _n+ )/ + _xn=(2n-1)· , где n=1, 2, 3 . Преобразуем последнее равенство к виду:

Запишем формулу синуса суммы двух углов в развернутом виде:

При соблюдении неравенств <6° и h/ <15, заменим синус аргументом , а косинус единицей. В этом приближении формула для синуса суммы двух углов будет иметь вид: sin( _n+ )=sin _n+cos _n· . Подставим значение синуса суммы двух углов в формулу (7) и преобразуем ее к виду:

Заменим sin _n и cos _n их значениями из формулы (4). Получим формулу для определения отставание фазы в сферическом волновом фронте для n-го нуля _n измеренной диаграммы ЭПР гантели по отношению к синфазному фронту:

Таким образом, по отсчитанной разности угловых положений нулей _n измеренной и теоретической диаграмм ЭПР гантельного отражателя по формуле (9) рассчитывают отставание фазы в сферическом волновом фронте волны, при необходимости, для каждого нуля измеренной диаграммы ЭПР гантели (фиг.3).

Описание способа по изобретению

Способ аттестации амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне аттестуемой установки основан на измерении диаграммы ЭПР гантельного отражателя, выполненного из двух жестко соединенных металлических шаров одного радиуса. Гантельный отражатель в аттестуемой измерительной зоне размещают горизонтально так, чтобы центр одного шара находился на оси поворотного устройства установки, а второй - на границе измерительной зоны (фиг.1). С помощью поворотного устройство 6 установки 8 вращают гантельный отражатель и одновременно измеряют и регистрируют его диаграмму ЭПР. По формуле (4) рассчитывают угловое положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в плоском поле:

Затем по измеренной диаграмме ЭПР гантельного отражателя в сферическом фазовом фронте поля отсчитывают угловые положения ее нулей. Определяют угловое смещение _n n-го нуля измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя по отношению к n-му нулю рассчитанной диаграммы ЭПР в плоском поле.

По формуле (9) рассчитывают значение отставания фазы _n поля в измерительной зоне напротив n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя:

.

Для определения фазового распределения поля в измерительной зоне рассчитанные значения отставания фазы _n в волновом фронте откладывают на графике зависимости фазы поля от удаления от центра измерительной зоны и соединяют плавной линией.

Положение n-го нуля диаграммы ЭПР гантельного отражателя в фазовом фронте поля на оси у определяют по формуле (5):

Амплитудное распределение в измерительной зоне характеризуют огибающей линией, проведенной через максимумы лепестков измеренной диаграммы ЭПР гантельного отражателя, значения которой нормируют на максимальное значение амплитуды, когда ось гантельного отражателя совпадет с электрической осью антенны установки ( =90°, фиг.3, пунктирная линия).

Реализация способа

Способ реализован с помощью гантельного отражателя 2 из двух металлических шаров радиусом 8,5 см. Шары соединены мало отражающим стержнем, изготовленным из пенопласта ПС-1, диаметром кратным половине длины волны в материале стержня. Длина гантельного отражателя 100 см. Рабочая длина волны антенны установки 8 равна 10 см. Диаметр измерительной зоны 1 равен 200 см. Высота центра измерительной зоны над поверхностью земли - 10 м. Мачты 7 стальные - высотой 30 м.

В качестве установки для измерения ЭПР применена импульсная установка, содержащая: генератор импульсов и временной развертки, усилитель пусковых импульсов, модулятор, магнетрон, передающую и приемную антенны, волноводный аттенюатор, привод аттенюатора, приемник, стробируемый усилитель, сервоусилитель, серводвигатель пера аттенюатора, привод пера, самописец, осциллограф, поворотное устройство, угломерное устройство и пульт управления (Е.Н.Майзельс, В.А.Торгованов, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей, М., «Сов. Радио», 1972, стр.167, рис.5.14).

Технический результат изобретения достигнут, доказана возможность измерения амплитудного и фазового распределений поля в измерительной зоне, находящейся на высоте нескольких метров над поверхностью земли, и уменьшение стоимости измерительной аппаратуры, так как способ позволяет проводить аттестацию фазового распределения поля без фазометрической аппаратуры.