Эмулятор поля в дальней зоне для калибровки антенны
Изобретение относится к калибровке многоканальной радиолокационной антенны в ракете во время полета. Техническим результатом является обеспечение возможности калибровки радиолокационной антенны во время полета и таким образом исключение неверной калибровки, обусловленной старением компонентов и тепловыми и механическими усилиями, возникающими при хранении и/или пуске ракеты. Сущность изобретения состоит в том, что радиолокационную антенну для управляемой ракеты калибруют в полете с помощью точечного источника СВЧ-излучения и линзы для эмуляции источника поля в дальней зоне. СВЧ-источник и линза установлены за металлическим колпаком в переднем конце обтекателя, чтобы не создавать помех работе радиолокатора. Описаны различные методы запитывания точечного источника и различные варианты выполнения линзы. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к калибровке многоканальной радиолокационной антенны и к соответствующему программному обеспечению, в частности к калибровке такой антенны и программного обеспечения в ракете во время полета.
Уровень техники
Ракеты, которые используют радиолокаторы в качестве части их систем наведения, обычно имеют радиолокационную антенну в носовой части ракеты за обтекателем. Обтекатель представляет собой конический колпак из непрозрачного для радиолокационного излучения материала, обычно из металла. Балансир обтекателя перед радиолокационной антенной и за колпаком выполнен из материала, прозрачного для радиолокационного излучения.
Радиолокационная антенна калибруется во время изготовления и при первоначальной установке. Обычно калибровка делается в безэховой камере с удаленным источником СВЧ-излучения известной энергии. Этот источник является источником поля в дальней зоне, т.е. его волновые фронты по существу параллельны поверхности антенны. Имеющий известную энергию источник поля в дальней зоне обеспечивает базис для калибровки радиолокационной антенны путем настройки переменных в соответствующих средствах программного обеспечения.
Радиолокационная антенна по существу выполнена в виде кольцевой антенной решетки, разделенной (физически или логически) на квадранты, сходящиеся в центре решетки. Каждый квадрант образует отдельный канал в многоканальной радиолокационной антенне. Сигналы, принимаемые каждым каналом антенны, передаются в процессор для обработки программным обеспечением. Для калибровки антенны необходимо только, чтобы часть каждого канала антенны принимала импульс энергии дальней зоны. Поскольку четыре канала антенны сходятся в центре, антенну можно калибровать с помощью источника поля в дальней зоне, имеющего относительно небольшое поперечное сечение; при этом будет достаточным перекрытие лишь части каждого канала.
Калибровка радиолокационной антенны может быть критичной для обеспечения требуемых рабочих характеристик. Это обстоятельство особо важно в тех случаях, когда для интерпретации принимаемых сигналов используется усложненное и высокочувствительное программное обеспечение. Например, программное обеспечение, используемое для распознавания истинной цели на фоне ложных целей, искусственных помех и/или маскирующих оборонительных мер, приняты в отношении данной цели, действует более эффективно после калибровки. Даже при использовании точной калибровки при изготовлении антенный отклик на принимаемые сигналы может измениться во времени. Например, после длительного хранения ракеты антенна может претерпеть незначительные физические изменения, которые изменят ее отклик. Помимо этого, сам факт запуска ракеты может обусловить воздействие на нее усилий и/или температур, которые изменят ее отклик.
Поскольку отклик радиолокационной антенны может изменяться во времени, существует необходимость в системе и устройстве, которые можно будет использовать для повторной калибровки радиолокационной антенны на ракете в процессе полета.
Сущность изобретения
Данное изобретение относится к системе и устройству повторной калибровки многоканальной радиолокационной антенны на ракете путем моделирования источника поля в дальней зоне внутри обтекателя антенны в ракете. Точечный источник излучения расположен позади и внутри колпака обтекателя. Излучение точечного источника (который формирует сферические волновые фронты) проходит через линзу, которая придает волновым фронтам параллельную ориентацию. Параллельные волны энергии радиолокационного излучения попадают на центральный участок радиолокационной антенны, доставляя импульс известной энергии в части каждого канала антенны. Исходя из этого входного сигнала, программное обеспечение, обрабатывающее сигналы антенны, повторно калибруется для компенсации любого изменения антенного отклика относительно состояния первоначальной калибровки.
Линза может представлять собой обычную линзу, например линзу с непрерывными вогнутыми и/или выпуклыми поверхностями, линзу Френеля, комбинацию этих линз, или даже дифракционную решетку. Линза может также использовать внутреннюю поверхность обтекателя в качестве отражающей поверхности. Кроме того, линза может быть заменена параболическим отражателем или иным устройством, моделирующим линзу.
Точечный источник энергии может представлять собой простую дипольную антенну. Точечный источник может возбуждаться генератором, запитываемым любым из возможных способов. Электроэнергия может подаваться по проводам, прикрепленным к внутренней стороне носового конуса, или по аналогичным образом прикрепленному волоконно-оптическому кабелю. Может использоваться лазер, передающий энергию через свободное пространство от антенны к генератору, либо основной радиолокационный передатчик может использоваться в качестве источника энергии с конденсатором или аккумуляторной батарей, размещенным в металлическом колпаке обтекателя, для накопления энергии, пока она не потребуется для питания генератора.
Краткое описание чертежей
Признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в приведенном ниже подробном описании со ссылками на чертежи.
Фиг.1 - вид сбоку и частично в сечении, схематично показывающий переднюю часть ракеты, ее антенну, обтекатель, точечный источник и линзу для применения в настоящем изобретении;
фиг.2 - вид спереди радиолокационной антенны, показанной на фиг.1.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Ракета 10 (фиг.1) содержит антенну 12 и обтекатель 14. Обтекатель 14 имеет металлический колпак 16 и секцию 18, прозрачную для электромагнитного излучения радиолокационной частоты (СВЧ-излучения). Во время полета отражаемое СВЧ-излучение проходит через прозрачную для излучения секцию 18 обтекателя 14 и принимается антенной 12. Получаемые в результате сигналы обрабатываются с помощью различных компьютерных программ в процессоре (не показан) для наведения ракеты 10 на ее цель. Обтекатель 14, радиолокационная антенна 12 и программное обеспечение могут быть совершенно обычными.
Следует отметить, что в данном описании и в формуле изобретения термины «передний», «вперед», «задний», «назад» используются по отношению к обычному направлению полета ракеты. Поэтому передний конец обтекателя 14 при обычном полете является передним концом ракеты 10, и радиолокационная антенна 12 находится за обтекателем.
Антенна 12 может содержать кольцевую антенную решетку волноводов, схематически показанную на фиг.2 в виде множества щелей. Приведенная в качестве примера антенна 12 разделена (физически или логически) на четыре квадранта, которые сходятся в центре решетки. Сигналы от каждого волновода в каждом квадранте объединяются, и объединенный таким образом сигнал из каждого квадранта образует канал многоканальной антенны. (Могут использоваться и другие количества каналов, каждый из которых формируется некоторым сектором антенны). По разным причинам, включая прошедшее время и связанное с этим старение компонентов электронного оборудования, и также воздействие тепла и ударов или механических колебаний, антенна 12 во время полета должна быть повторно откалибрована. Калибровка выполняется с использованием СВЧ-излучения известной мощности от источника поля в дальней зоне, т.е. источника, волновые фронты которого по существу параллельны плоскости антенны, и поэтому каждый облучаемый волновод воспринимает одинаковый входной сигнал.
Система и устройство согласно настоящему изобретению могут использоваться для калибровки антенны 12. Для этого точечный источник 20 СВЧ-излучения расположен позади колпака 16. Подобно любому точечному источнику точечный источник 20 испускает волны со сферическим волновым фронтом 22. Линза 24 расположена между точечным источником 20 и антенной 12. Линза 24 выполнена с возможностью изменения направления СВЧ-излучения, испускаемого точечным источником 20 так, чтобы оно формировало параллельные плоские волны 26. Антенна 12 калибруется за счет того, что точечный источник 20 испускает СВЧ-излучение заданной частоты в течение определенного времени. Эти волны проходят через линзу 24 и обеспечивают известный входной сигнал для антенны 12. Затем антенна 12 может калиброваться путем выполнения соответствующих настроек в программном обеспечении, которое обрабатывает выходной сигнал антенны.
Точечный источник 20 может представлять собой простую дипольную антенну. Как известно из уровня техники, диполь не является истинно точечным источником, поскольку имеет конечные размеры. Тем не менее, диполь, имеющий длину порядка одной десятой, или менее диаметра линзы 24, будет адекватно аппроксимировать точечный источник. Альтернативно может использоваться другой излучатель СВЧ-излучения, аппроксимирующий точечный источник, входящий в объем понятия «точечный источник» в смысле термина, используемого в данной заявке.
Хотя дипольная антенна не излучает совершенно симметричные, т.е. сферические волновые фронты, она испускает СВЧ-излучение прогнозируемым и повторяемым образом, приближенно сферически. Соответственно, линза 24 может быть выполнена в форме, компенсирующей отклонение от сферического характера волновых фронтов, испускаемых источником 20.
Точечный источник 20 возбуждается генераторной схемой 28, расположенной позади колпака 16. Для генераторной схемы 28 требуется мощность не более нескольких сотен милливатт. Электроэнергия в генераторную схему 28 может подаваться разными средствами. Можно установить на обтекателе металлические электрические проводники (не показаны), проходящие от источника электроэнергии (не показан) за антенной 12, по внутренней поверхности прозрачной для излучения секции обтекателя 14 к генераторной схеме 28. Провод также может быть выполнен как составная часть стенки обтекателя. Возникающие при этом зоны отсутствия приема в антенне 12, создаваемые затенением от металлических проводов, в радиолокационном сигнале могут быть скомпенсированы программным обеспечением, осуществляющим обработку сигнала.
Альтернативным образом электроэнергия может подаваться по волоконно-оптическому кабелю (не показан), также установленному на внутренней стороне обтекателя 14. Этот кабель прозрачен для СВЧ-излучения, и поэтому требует лишь незначительной настройки программного обеспечения, либо также настройка вообще не нужна. Третий способ подачи и питания на генераторную схему 28 заключается в применении лазера (не показан), который излучает энергию из точки сзади антенны 12 на фотодиод, соединенный с генератором. Этот способ не создает помех для антенны или ее программного обеспечения. Он также не требует монтажа проводника (волоконно-оптического или электрического) на обтекателе 14, упрощая конструкцию и повышая надежность. Наконец, точечный источник 20 может запитываться радиолокационным передатчиком на борту ракеты 10. В этом случае короткий импульс этого передатчика может подавать энергию в генераторную схему 28, с ее последующим накоплением в конденсаторе или в аккумуляторной батарее для дальнейшего использования при необходимости. Прочие методы обеспечения электроэнергии для генераторной схемы 28 очевидны для специалистов в этой области техники.
Линза 24 преобразует сферические волновые фронты СВЧ-излучения точечного источника 20 в плоские электромагнитные волны 26. Линза 24 установлена позади металлического колпака 16, в его «тени», и расположена так, что не находится на пути СВЧ-излучения, поступающего через прозрачную для излучения секцию 18 обтекателя 14 в антенну 12. Соответственно, линза 24 имеет диаметр, равный максимальному диаметру колпака 16, или меньший диаметр.
Линза 24 может быть выполнена из разных материалов. СВЧ-излучение имеет характеристики, соответствующие классическим законам электромагнитного излучения; и методы конструирования и изготовления линз, отклоняющих и формирующих СВЧ-излучение, также хорошо известны. Линза 24 может быть выполнена, например, из политетрафторэтилена или из другой пластмассы, воска или парафина. Линза 24 может быть изготовлена методами полирования или шлифования, отлита в соответствующей пресс-форме.
Линза 24 может быть выполнена в виде одиночной преломляющей линзы с непрерывно криволинейными поверхностями - фиг.1. Но в данном изобретении также возможны и другие линзы. Например, можно использовать составную линзу, т.е. двойную или тройную линзу, причем линзы могут быть отдельными или соединенными вместе. В качестве линзы может использоваться линза Френеля. Помимо этого, можно также использовать дифракционную решетку. Можно использовать любую линзу при том условии, что она будет преобразовывать волновой фронт, испускаемый точечным источником, в волны, параллельные плоскости антенны.
Кроме этих более или менее обычных линз можно также использовать отражательные линзы. Например, точечный источник может находиться в фокусе параболического отражателя. В этом случае отражатель установлен в самой передней части обтекателя 14, непосредственно за колпаком 16; при этом точечный источник 20 находится между параболической отражающей поверхностью и антенной 12. Металлический экран используется для блокирования прямого прохождения волн от точечного источника в антенну, чтобы в антенну поступали только необходимые плоские волны, отраженные от параболического рефлектора. Помимо этого, линза может использовать технологию эмуляции плоской пластинчатой линзы, например, согласно решению, изложенному в патенте США № 4950014, раскрытие которого полностью включено в данный документ посредством ссылки.
Согласно этим же принципам, внутренняя поверхность обтекателя 14 может быть выполнена как отражатель, чтобы фокусировать волны с малым углом падения в плоские волновые фронты. Это можно осуществить либо только с помощью точечного источника, либо с помощью точечного источника в комбинации с одной или несколькими отражающими или преломляющими линзами.
Из изложенного выше следует, что настоящее изобретение обеспечивает систему и устройство для калибровки радиолокационной антенны в ракете во время полета. Следует иметь в виду, что описанные выше варианты осуществления являются лишь пояснениями конкретных вариантов осуществления, представляющих применение принципов настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники могут строить различные другие конфигурации в рамках объема настоящего изобретения.
1. Устройство для калибровки многоканальной радиолокационной антенны, содержащее радиолокационную антенну (12), обтекатель (14), закрывающий переднюю поверхность антенны (12), причем обтекатель (14) имеет непрозрачную для радиолокационного излучения секцию (16) и радиопрозрачную секцию (18), при этом непрозрачная для радиолокационного излучения секция (16) размещена перед радиопрозрачной секцией (18), точечный источник (20) СВЧ-излучения, отличающееся тем, что содержит линзу (24), выполненную с возможностью преобразования СВЧ-излучения (22) от точечного источника (20) в плоские электромагнитные волны (26), причем точечный источник (20) и линза (24) размещены с непрозрачной для радиолокационного излучения секцией (16) обтекателя (14) таким образом, чтобы не находиться на пути СВЧ-излучения, поступающего через радиопрозрачную секцию (18).
2. Устройство по п.1, в котором линза (24) является преломляющей линзой.
3. Устройство по п.2, в котором линза (24) является одиночной линзой.
4. Устройство по п.2, в котором линза (24) является составной линзой.
5. Устройство по п.1, в котором линза (24) является линзой Френеля.
6. Устройство по п.1, в котором линза (24) является дифракционной решеткой.
7. Устройство по п.1, в котором линза (24) является отражающей линзой.
8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором непрозрачная для радиолокационного излучения секция (16) представляет собой металлический колпак.
9. Устройство по п.8, в котором колпак (16) имеет передний конец и максимальный диаметр позади переднего конца, причем линза (24) имеет диаметр, который равен или меньше чем максимальный диаметр колпака (16).
10. Устройство по п.1, содержащее генераторную схему (28), соединенную с точечным источником (20), и средство для подачи электроэнергии в генераторную схему (28).
11. Устройство по п.10, в котором средство для подачи электроэнергии в генераторную схему (28) содержит фотодиод, соединенный с генераторной схемой (28), и средство подачи электромагнитного излучения на фотодиод.
12. Устройство по п.11, в котором средство для подачи электромагнитного излучения на фотодиод содержит волоконно-оптический кабель.
13. Устройство по п.12, в котором волоконно-оптический кабель проходит из-за антенны (12) к генераторной схеме (28).
14. Устройство по п.11, в котором средство для подачи электроэнергии в генераторную схему (28) содержит лазер, размещенный с возможностью передачи лазерной энергии через пространство из-за антенны (12) на фотодиод.
15. Способ использования устройства по любому из предыдущих пунктов для калибровки антенны (12), содержащий этапы возбуждения точечного источника (20) излучения для испускания точечным источником (20) СВЧ-излучения (22), использования линзы (24) для преобразования испускаемого СВЧ-излучения (22) в плоские электромагнитные волны (26) и использования плоских электромагнитных волн (26) для калибровки антенны (12).
