В. С. Бачурин, А. Д. Деменёв, В. Д. Пышный
АО “Концерн ПВО “Алмаз-Антей” ОАО “ОКБ Новатор
Получена 28 июня 2010 г.
Аннотация. Рассмотрен метод измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) объекта методом частотно-временных преобразований. Измерения могут выполняться в условиях обычных производственных помещений, не имеющих радиопоглощающих покрытий. После обработки результатов измерений формируются данные об угловых и спектральных характеристиках рассеяния объекта, координаты и характеристики его локальных центров рассеяния. Приведенные примеры измерения характеристик рассеяния для простых тел подтверждают низкие требования к уровню безэховости и высокую информативность метода.
Ключевые слова: эффективная поверхность рассеяния, угловые и спектральные характеристики рассеяния.
Характеристику рассеяния электромагнитного поля объектом принято выражать через его эффективную поверхность рассеяния (ЭПР), которая численно характеризует поле, рассеянное объектом при его облучении плоской однородной монохромной волной. При расположении тела в свободном пространстве его ЭПР (σ) можно записать в виде:
где
Ei - напряжённость поля плоской падающеё волны в районе объекта;
Es - напряженность поля в точке приёма, вызванная отраженной от объекта волной;
R - расстояние между объектом и точкой, в которой производится измерение отраженного поля.
Поляризация падающего и отраженного поля в общем случае различны и значение σ можно представить в виде матрицы, элементы которой определяют рассеяние для двух ортогональных поляризаций и кроссполяризации. В свою очередь элементы матрицы это функции от частоты сигнала, угла облучения, угла наблюдения.
При измерениях напряженность поля в точке приема равна
E∑ - векторной сумме напряженности поля сигнала
Es и помехи
Ep, вызванной связью между приёмным и передающим каналами и отражениями от местных предметов. Напряженность поля
Ep может на несколько порядков превышать
Es. Априорно полагаем, что вне зависимости от используемого метода измерений он позволяет выделить из
E∑ сигнал соответствующий
Es.
Для обеспечения аддитивности при обработке результатов измерений характеристику рассеяния представим в виде нормированной амплитуды напряженности рассеянного поля в виде:
.
Название «нормированная амплитуда» возможно применено не совсем удачно, её размерность – метры. С другой стороны, мощность отраженного сигнала на входе приёмника пропорциональна σ, соответственно при
R=const амплитуда входного напряжения
U пропорциональна
А. Коэффициент пропорциональности зависит от антенной системы и частоты сигнала
f.
При измерении ЭПР объекту придаётся вращение вокруг оси, перпендикулярной направлению распространения падающей волны. За один полный оборот объекта, или цикл измерения, выполняется измерение ЭПР в секторе углов 0..2π. Поляризации падающего поля определена передающей антенной. Количество независимых приёмных каналов определяет возможное число одновременно измеряемых индикатрис [
1] рассеяния. Размещение и поляризации приёмных антенн зависит от цели измерения. В дальнейшем считаем, что при измерениях используется только один приемный канал, приёмная и передающая антенны совмещены (однопозиционная локация, обратное рассеяние). При измерениях на одной частоте в секторе углов 0-2π и результат сохраняется в памяти в виде последовательности из
М отсчетов для углов облучения φ
m с шагом
dφ=2π/
M.
Современные векторные измерители
S параметров многополюсников выполняют быструю (единицы микросекунд) дискретную перестройку частоты. Это позволяет при измерении ЭПР для каждого угла φ
m последовательно облучить исследуемый объект набором из
N+1 квазимонохромных частот
Fn и за один поворот платформы стенда измерить для них матрицу рассеяния размерностью
M×(
N+1). Двумерную функцию, задаваемую этой матрицей, будем называть спектром рассеяния, а её трехмерный график – спектрограммой. Сечения спектрограммы при φ=
const это частотная характеристика рассеяния, а при
F=
const - индикатриса рассеяния.
На рис.1а приведена рассчитанная в соответствии с [1], а на рис. 1б измеренная в диапазоне 1-12ГГц спектрограмма для металлической пластины размером 200х200мм. Для представления в одинаковом масштабе, выполнена нормировка расчетной спектрограммы на частоте 12 ГГц.
Рассеянное объектом поле можно рассматривать как векторную сумму напряженности полей его локальных центров рассеяния (ЛЦР). Преобразование Фурье по оси частот преобразуют её в синограмму. Синограмма (sine-diagrams) это трехмерный график в декартовой системе координат зависимости амплитуды сигнала отражённого объектом от относительной дальности и угла облучения [
2]. Название определено тем, что стационарный ЛЦР (положение которого на объекте не зависит от угла облучения) формирует на синограмме синусоидальный след. Амплитуда следа равна расстоянию между ЛЦР и осью вращения, а фаза начальному углу, вершина которого совпадает с осью вращения, стороны угла образованы направлениями на источник облучения и ЛЦР.
На рис.2 приведены измеренные синограммы пластины 200х200мм. На синограммах видны следы соответствующие рассеянию от передней и задней кромок. При вертикальной поляризации (
Е параллелен кромке) амплитуда отклика от передней кромки больше. Спектрограмма и синограмма содержат одинаковую информацию о характеристиках рассеяния объекта представленную в частотной и временной областях и связаны преобразованием Фурье.
След на синограмме от ЛЦР позволяет определить его координаты на объекте, при этом необходимо учитывать особенности следа различных типов ЛЦР. Основные из них:
Мигрирующий – след образованный точкой зеркального отражения для выпуклого тела, которая перемещается при изменении угла облучения. Если поперечное сечение тела – круг радиусом
а, след остаётся синусоидальным, но смещается в сторону уменьшения дальности на
а.
Проблесковый – наблюдается в узком секторе углов облучения. Зависимость от угла близка к Гауссовой. Формируется зеркальным отражением от плоского участка поверхности.
Резонансный – формируется узкополосными системами (антенны, обтекатели). За ЛЦР наблюдается протяженный по времени след, соответствующий излучению наведённых токов после ударного возбуждения. При широкой полосе облучения след может быть малозаметен. При выборе недостаточной длины временного строба след может быть обрезан, что приводит к погрешности при переходе в частотную область.
Структурный – формируется элементами объекта, вызывающими многократные переотражения сигнала (уголковый отражатель, туннельный воздухозаборник самолета). Дальность зависит от фактической длины распространения волны. Всплеск от ЛЦР может наблюдаться на дальностях за пределами фактического размера объекта.
Мираж (фантом) – отражение от элемента в другом элементе. Примером может служить отражение облучателя в зеркале параболической антенны, которое формирует ЛЦР за параболоидом антенны на дальности равной фокусному расстоянию.
Другие типы ЛЦР встречаются достаточно редко. Понятие «след» будет применяться и к описанию зависимости амплитуды отраженного сигнала от дальности.
Сечение синограммы для произвольного угла φ это одномерная функция - временная зависимость амплитуды отраженного от объекта сигнала. Преобразование Фурье формирует частотную зависимость рассеяния объекта для этого угла облучения.