Определение степени влияния устройств слежения линии визирования в ортогональных радиолокационных имитаторах цели на качество эксперимента

Введение

Испытательные комплексы полунатурного моделирования (ИКПМ) являются важнейшей частью в отработке технически сложных бортовых систем управления (БСУ) авиационных и корабельных управляемых средств поражения (УСП), используемых радиолокационных систем пассивного и активного наведения (автопеленгации). На ИКПМ отрабатываются практически все варианты применения УСП, включая нереализуемые в полигонных условиях, что позволяет сократить количество сложных натурных испытаний.

Испытания на ИКПМ предусматривают контроль энергетических и точностных характеристик радиолокационных систем наведения, таких как чувствительность приемного тракта и точность пеленгации, угловая скорость и угол линии визирования. Для обеспечения достоверности эксперимента требуется максимально точное воссоздание фоноцелевой обстановки с параметрами электромагнитного поля (ЭМП), формируемого в эфирном пространстве безэховой радиоэкранированной камеры (БЭК) [1]. Воспроизведение ЭМП с заданными параметрами осуществляется посредством радиолокационных имитаторов цели (РИЦ).

В настоящее время ИКПМ представляет универсальный инструмент, позволяющий отрабатывать радиолокационные системы в различных частотных диапазонах. В связи с этим на БЭК накладываются дополнительные требования, связанные с необходимостью формировать ЭМП с плоским фронтом волны на различных частотах, а это приводит к увеличению как минимум одного из габаритов камеры согласно:

где k = 1–5 — коэффициент, соответствующий плоскому фронту волны; D₁ и D₂ — поперечные размеры апертур приемной и передающей антенн; λ — длина волны.

Одним из перспективных направлений в эксплуатации ИКПМ является максимальное использование потенциала БЭК, для чего в последнее время РИЦ выполняют многопозиционным [2]. Это означает, что РИЦ делается подвижным, с возможностью фиксации в зависимости от (1) на различных расстояниях от испытуемой радиолокационной системы наведения (РЛСН). Такое решение предполагает значительное усложнение конструкции РИЦ, ввиду наличия на имитаторе опорно-подвижного основания с элементами швартовки к стенам БЭК [3]. Также из-за ортогонального исполнения рабочей базы становится актуальным вопрос оснащения подвижных кареток РИЦ устройствами слежения (УС) линии визирования для обеспечения постоянной ориентации антенны РИЦ в сторону РЛСН (сторону фокуса ориентации) при ненулевых углах кареток РИЦ с установленными на них антенными узлами.

Актуальность вопроса о необходимости снабжения кареток РИЦ устройствами слежения очень высока. Наличие УС на каретках РИЦ повышает стоимость создания современного РИЦ на 20–30%.

Настоящая статья посвящена определению необходимости реализации УС на подвижных каретках перспективных РИЦ.

Идеализированный РИЦ

Плотность потока мощности (ППМ) в точке приема (в фокусе РИЦ) будет определяться по формуле [4]:

где Р_прд — мощность передатчика; G_прд — коэффициент усиления антенны; θ_г(φ_г) и θ_в(φ_в) — нормированная диаграмма направленности антенны (ДНА) в горизонтальной и вертикальной плоскостях (будем использовать выражение  sin(x)/x для описания ДНА [5]); φ_в и φ_г — угол между направлением на исследуемую антенну и ее осью; R — расстояние от центра передающей антенны до центра приемной антенны.

На рис. 1 и 2 изображен внешний вид и схема идеализированного РИЦ.

Рис. 1. Идеализированный РИЦ (внешний вид)

Рис. 2. Идеализированный РИЦ (схема)

Этот вариант назовем «идеальным», так как РИЦ будет перемещаться по окружности заданного радиуса, причем передающая антенна на РИЦ всегда будет направлена в сторону приемной антенны.

В данном варианте конструктивного исполнения РИЦ антенна направлена на РЛСН (в сторону фокуса РИЦ), а движение по заданной окружности подразумевает неизменность R, из чего следует, что ППМ в точке приема постоянна (при условии, что приемная антенна РЛСН также ориентируется в направлении антенны РИЦ или имеет круговую ДНА).Примем данную ППМ за S = 1 отн. ед.

Ортогональный РИЦ с устройством слежения

На рис. 3 изображен вариант РИЦ, когда рабочая база расположена перпендикулярно к оси РЛСН, при этом РИЦ перемещается по базе, а устройство слежения РИЦ ориентирует антенный узел в направлении РЛСН.

Рис. 3. Ортогональный РИЦ с устройством слежения

При этом расстояние R будет переменной величиной, а угол между линией визирования антенн и осью передающей антенны РИЦ будет равен 0°, а потому ППМ в данном случае будет рассчитываться по формуле:

где      φ — угол визирования антенного узла РИЦ.

Тогда отношение ППМ в случае РИЦ с УС к ППМ в «идеальном» случае (рис. 4):

Рис. 4. Отношение ППМ в случае с УС к ППМ в «идеальном» случае

Проанализировав рис. 4, можно видеть изменение мощности в зависимости от угла визирования (положения антенного узла РИЦ).

Ортогональный РИЦ без устройства слежения

На рис. 5 изображена схема РИЦ без УС.

Рис. 5. Ортогональный РИЦ без устройства слежения

При этом расстояние R и угол между линией визирования антенн и осью передающей антенны РИЦ будут изменяться от угла визирования, поэтому ППМ в таком случае будет рассчитываться по формуле:

где θ_в(φ_в) (рис. 6) при измерении только в вертикальной плоскости будет равен:

Рис. 6. Нормированная ДНА

Тогда отношение ППМ в случае без УС к ППМ в «идеальном» случае примет вид (рис. 7):

S_{без_УС} = S_УС · θ_в(φ_в)² .

Рис. 7. Отношение ППМ в случае без УС к ППМ в «идеальном» случае

Тогда отношение ППМ в случае без УС к ППМ с УС примет вид (рис. 8):

S_отн = θ_в(φ_в)² .

Рис. 8. Отношение ППМ в случае без УС к ППМ с УС

Построим зависимость отношений ППМ для всех рассмотренных случаев в дБ (рис. 9). Можно сделать следующие выводы:

•  сравнивая SУС с Sбез_УС (SОТН = Sбез_УС– SУС), можно видеть, что в пределах рабочих углов РИЦ выигрыш, вызванный наличием УС, вдвое меньше, чем изменение величины ППМ за счет наличия ортогональности РИЦ;
•  абсолютная величина изменения плотности потока мощности в фокусе РИЦ на максимальных углах визирования соизмерима с погрешностью измерения коэффициента усиления одной из антенн, что подтверждает актуальность исследования влияния УС;
•  учитывая, что ДНА ограничена затуханием сигнала больше –3 дБ, следует предположить, что предельные углы визирования РИЦ без УС не должны превышать половины ширины ДНА [6];
•  диапазон предельных углов визирования РИЦ без УС ограничен максимальной частотой антенны РИЦ.

Рис. 9. Зависимость отношений ППМ для всех рассмотренных случаев

Для анализа предельных углов визирования РИЦ без УС в специализированном ПО было проведено моделирование ширины ДНА для различных частот широкополосной антенны, установленной на подвижной каретке РИЦ (рис. 10, 11).

Рис. 10. ДНА в полярных координатах при различных частотах

Рис. 11. Зависимость ширины ДНА от частоты

Экспериментальные данные

Для подтверждения теоретических расчетов был проведен ряд экспериментов в реальной БЭК.

Эксперименты выполнены на ортогональном РИЦ с УС и подвижной приемной антенной, установленной в фокусе РИЦ [7, 8].

На рис. 12 отображены приведенные значения мощностей, полученные при эксперименте в сравнении с вычисленными по формулам при различных частотах.

Рис. 12. Сравнение экспериментальных данных с расчетными

При анализе полученных в процессе эксперимента данных были определены математическое ожидание и СКО [9, 10] приведенной мощности измеренного сигнала (табл.), в результате чего подтвердилась сходимость аналитических зависимостей, описывающих ДНА с экспериментальными данными.

Заключение

Принимая во внимание порядок величин уровня ППМ в фокусе РИЦ в пределах рабочих углов визирования с использованием УС, можно сделать вывод, что основной вклад на уменьшение ППМ вносит изменение расстояния от излучающей антенны до фокуса, вызванное ортогональностью конструкции РИЦ. А величина дополнительного снижения ППМ за счет отсутствия УС соизмерима с погрешностью коэффициентов усиления антенн. Полученные результаты говорят о том, что при исследовании характеристик РЛСН с использованием в опытах антенн, установленных на РИЦ, и при работе в пределах ДНА допустимо отсутствие УС на подвижных каретках. Однако при проведении исследований на высоких частотах (свыше 4 ГГц), при которых ДНА РИЦ уже рабочего сектора РЛСН (φ> 40°), а также для обеспечения требуемого динамического диапазона изменения ППМ в фокусе РИЦ целесообразно использование УС.

Для снижения стоимости РИЦ за счет отсутствия УС возможно использование излучающих антенн с широкой ДНА на высоких частотах, но такие мероприятия приводят к повышенному уровню излучаемой мощности и, как следствие, к излишним переотражениям от поверхностей БЭК, для исключения которых требуется применение РПМ с более высокими характеристиками поглощения, что в свою очередь соизмеримо по стоимости с установкой УС.