CC BY
66
Исследование дифракции на
Ключевые слова: Дифракция электромагнитных волн, моделирование электродинамических процессов, автоматизированный измерительный стенд, стелс-технологии, диаграммы рассеяния.
электродинамики полей при процессах телах различной формы
В настоящее время проблема уменьшения радиолокационной заметности различных объектов вооружения и военной техники привлекает серьезное внимание промышленно развитых стран. В связи с этим, актуальной темой является совершенствование стелс-технологий. Под ними подразумевают комплекс технических решений, в результате которых уменьшается уровень сигналов, поступающих от военного объекта на приемные системы, пытающиеся объект обнаружить и уничтожить. Степс-технология включает в себя следующие основные направления: теорию дифракции на сложных телах, разработку и исследование радиопоглощающих материалов, технологию нанесения покрытий и, наконец, радиофизический эксперимент, используемый для контроля в каждом из перечисленных направлений. Целью работы явилась модернизация процессов измерения дифракции на телах различной формы на автоматизированной установке (находящейся в МГТУ МИРЭА) и их исследование с использованием обработки результатов на подключенном компьютере с помощью разработанной специализированной программы. Проведение исследований диаграмм рассеяния от объектов простой формы, полученных на измерительном автома-визированном стенде в безэховой камере, и сравнение их с теоретическими данными, полученными путем моделирования, привело к апробации методики измерений и подтвердило возможность его использования для нахождения диаграмм рассеяния и ЭПР от объектов сложной формы. Был выявлен ряд особенностей электродинамики рассеянных полей, имеющих прикладное значение. Проделанная работа позволит проводить более сложные эксперименты и исследования в области дифракции электромагнитных волн и наносекундных импульсов, внести ощутимый вклад в развитие данной области.
Будагян И.Ф., профессор, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА Шишканов А.В., выпускник, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА Щучкин Г.Г., доцент, кафедра КПРЭС МГТУ МИРЭА
Автоматизированный стенд состоит из генератора, аттенюатора, измерительной линии, вольтметра, согласующего трансформатора, передающей антенны, вращающегося столика с исследуемым объектом, приемной антенны с детекторной головкой, усилителя сигнала, буфера управления, устройства управления и мониторинга, персонального компьютера (ЭВМ), миниатюрной видеокамеры. На рис. 1 показана структурная схема автоматизированного стенда. Часть элементов стенда находится внутри безэховой камеры с коэффициентом безэховости камеры -22 дБ, обозначенной на рисунке пунктирной линией.
Передающая антенна питается от СВЧ генератора, настроенного на фиксированную длину волны в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Высокочастотный сигнал передается на неё по волноводному ка-
налу через аттенюатор, измерительную линию и согласующий трансформатор.
Передающая антенна неподвижно закреплена на опорной стойке. В точке приема в зависимости от характера дифрагированного поля создается определенная напряженность поля ?, для измерения которой используется приемная антенна, закрепленная на передвижной опорной стойке. Расстояние между передающей и приемной антеннами можно изменять ступенями от 85 см до 115 см. Возможно, также изменять высоту приемной антенны в пределах 30 см. С приемной антенны сигнал поступает на детекторную головку и усилитель сигнала, а затем на устройство управления и мониторинга (УУМ), где при помощи аналого-цифрового преобразователя аналоговый сигнал преобразуется в дискретный код (цифровой сигнал) для последующей обработки с помощью ЭВМ.
Для исследования процессов дифракции электромагнитных волн на телах различной формы используется вращающийся столик, на который помещаются исследуемые объекты. Оператор с помощью ЭВМ может задать угол перемещения столика. Сигнал с ком-
34
Т-Сотт, #10-2012
Рис. 2. Вид главного окна программы с контуром в виде двухлистника
пьютера через COM порт и кабель RS232 поступает через УУМ на буфер управления, который формирует сигнал, необходимый для включения электродвигателя, предназначенного для поворота столика. При вращении электродвигателя сигнал с датчика угла перемещения ротора через буфер управления и УУМ поступает на компьютер. При достижении заданного угла поворота столика электродвигатель отключается и столик останавливается. В приводе столика также используется датчик начального положения для начала отсчета углового перемещения с 0о.
Для передвижения приемной антенны в горизонтальном и вертикальном направлении используются два электродвигателя с редуктором и датчиком углового перемещения ротора. Оператор в окне программы может задать расстояние линейного перемещения ан-
тенны в миллиметрах. Видеокамера устанавливается внутри безэховой камеры так, чтобы были видны передающая и приемная антенны, а также исследуемый объект. Камера подключается к компьютеру через специальную РС1 карту (ТУ-тюнер) и выводится на экран монитора с разрешением 640 на 480 точек с помощью программы АУ1_Ю (версия D3.11) [2].
Моделирования рассматриваемых в работе процессов дифракции проводится с помощью программного алгоритма [3], базирующегося на решении соответствующих интегральных уравнений. В качестве программного обеспечения используется система Ма11аЬ, обеспечивающая широкие возможности по расчету больших алгебраических уравнений и вычислений, выполнению Фурье-преобразований и обеспечивающая простоту графического представления результатов совместно с хорошей производительностью.
Процессы дифракции [4] исследуются в случае падения на цилиндр плоского монохроматического сигнала с частотой от 50 Гц до 50 ГГц. В интерфейсном окне (рис. 2) путем выбора начальных параметров (справа) строится поперечное сечение цилиндра (слева вверху) и диаграмма рассеяния (слева внизу) [5].
Диаграмма рассеяния моделируется при разных углах падения, частотах падающей волны (принадлежащих указанному диапазону) и количестве точек коллокации. Выбор углов падения в интервале 0 < 0 < п / 2 учитывает симметрию облучаемого тела. При моделировании цилиндра с сечением в виде многолистника задаются количество листов контура поперечного сечения (от двух до пяти) и некоторые дополнительные параметры, определяющие основной и вспомогательный контуры (рис. 2).
На рис. 3 показаны диаграммы рассеяния на проводящем цилиндре с контуром поперечного сечения в виде двухлистника при угле падения 0 = п/4 на частотах С а) 50 Гц б) 5 МГц, в) 50 МГц, г) 100 МГц, д) 500 МГц и е) 800 МГц. При увеличении частоты диаграмма рассеяния становится более направленной. Расчёт прово-
Рис. 3. Изменение диаграмм рассеяния с увеличением частоты падающей волны
T-Comm, #10-2012
35
Таблица 1
Среднее значение рассеяния вперед от цилиндров
Рис. 4. График зависимости значения рассеяния вперед от материала и размера объекта
дился при числе точек коллокации N = 150 — синие кривые; на частоте f = 800 МГц при N = 205 можно еще наблюдать главный лепесток диаграммы рассеяния — красная кривая (тогда как при N = 150 он отсутствует).
Путем моделирования проведен ряд исследований диаграмм рассеяния проводящих цилиндров, которые использованы при сравнении с экспериментальными результатами.
Измерение и исследование рассеяния вперед проводилось на круговых цилиндрах разного диаметра и с разным покрытием. Их целью был анализ зависимости величины рассеяния вперед (таблица 1, рис. 4) от материала, из которого сделан объект, и от размера объекта (диаметра). Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: с увеличением проводящих свойств материала цилиндра значение рассеянного поля по направлению к приемной антенне уменьшается (увеличивается рассеяние назад); с увеличением диаметра цилиндра значение рассеянного поля по направлению к приемной антенне падает, что связано с увеличением области тени. Полученные качественные выводы согласуются с теоретическими данными.
На рис. 5 изображено в качестве иллюстрирующего примера поперечное сечение прямоугольного объекта. СВЧ излучение падает слева направо. Объект вращается по часовой стрелке. Ниже на всех диаграммах исследуемых объектов внизу показан ход враща-
Нзлучаюшая Приемная
Рис. 5. Отображение положения объекта на диаграммах рассеяния вперед
ющегося объекта и отображена шкала углов поворота.
Результаты измерения диаграммы рассеяния от прямоугольных проводящих объектов приведены на рис. 6.
Анализ полученных результатов показал, что максимум рассеяния вперед наблюдается при параллельной ориентации широкой стороны объекта по отношению к падающей волне, минимум распределения поля наблюдается при перпендикулярной ориентации широкой стороны объекта по отношению к падающей волне, разница в отношениях минимумов к максимумам уменьшается по мере уменьшения размеров объекта.
Примеры диаграмм рассеяния на объектах прямоугольной формы с анизотропными свойствами для систем из 3-х и 5-ти проводящих пленок (фольги) и из 3-х и 5-ти поглощающих пленок (пропитанная сажей бумага) представлены на рис. 7. На рис. 8 сравниваются между собой диаграммы рассеяния из проводящих и поглощающих пленок (соответственно 3-х и 5-ти). В начальном положении широкая сторона объекта перпендикулярно ориентирована по отношению к падающей волне. Приведенные диаграммы показывают, что нормированные диаграммы рассеяния вперед идентичны, ширина лепестков-максимумов шире у системы из 3-х листов, развал диаграммы рассеяния вперед происходит, когда система пленок ориентирована перпендикулярно направлению падения волны, минимум рассеяния вперед наблюдается при параллельной ориентации системы пленок по отношению к падающей волне.
Диаграммы рассеяния на проводящих объектах с формой поперечного сечения в виде многолистника представлены на рис. 9.
Обобщая выводы по диаграммам рассеяния вперед от объектов с поперечным сечением в виде многолистника, выделим основные закономерности: число максимумов на диаграмме рассеяния зависит от числа лепестков в многолистнике. При четном количестве лепестков в многолистнике, максимум рассеяния вперед наблюдается при падении волны на объект со стороны узкой его части, а минимум рассеяния вперед наблюдается при падении волны на объект со стороны его широкой части. При нечетном количестве лепестков наблюдается обратная закономерность: максимум наблюдается при падении волны на широкую часть объекта, а минимум при падении волны на узкую часть. Выявленная закономерность представлена в табл. 2.
Проведены исследования диаграмм рассеяния многолистника с
Рис. 6. Диаграмма рассеяния вперед от прямоугольного объекта с размерами сечения: а — 34,85 х 15,799 мм2; б — 22,86 х10,16 мм2
36
Т-Сотт, #10-2012
Рис.7 Диаграммы рассеяния систем из 3-х и 5-ти: проводящих (а); поглощающих (б) плёнок
Рис. 8. Диаграммы рассеяния систем из: 3-х (а); 5-ти (б) плёнок
Таблица 2
Закономерность распределения минимумов и максимумов на диаграммах рассеяния вперед для многолистников
поперечным сечением в виде пятилистника (рис. 10), полученных экспериментальным путем (сплошные кривые) и путем моделирования (точками показаны результаты моделирования).
Сравнительный анализ показал их идентичность. В случае моделирования использована методика пересчета получаемых диаграмм рассеяния при различных углах падения на объект, когда вычислялось
значение рассеянного вперед поля. Процесс пересчета показан на рис. 11, где волна падает с нескольких позиций. На основе этого можно сделать вывод, что автоматизированный стенд дает достаточно достоверные результаты и пригоден для нахождения диаграмм рассеяния и ЭПР от объектов сложной формы, если ввести в действие предусмотренную на стенде функцию поворота приемной антенны.
Таким образом, проведено экспериментальное исследование электродинамики полей при процессах дифракции на различных телах простой формы (цилиндрах с поперечным сечением в форме прямоугольника, круга и многолистника) на основе диэлектрических, полупроводящих и проводящих материалов и материалов с анизотропными свойствами. Осуществлено сравнение полученных результатов измерений с результатами, полученными компьютерным моделированием на основе программы в среде MATLAB, что обеспечило теоретическое подтверждение экспериментальных результатов. Получен ряд оригинальных выводов для исследуемых объектов.
»««««««« * » А <* <*«'*>*>*’*>**««1?*?». %8
Рис. 9. Диаграммы рассеяния от многолистника с формой поперечного сечения в виде: трёхлистника (а); пятилистника (б)
T-Comm, #10-З01З
37
1 Г. MB )
-135
0,86 _ 1
-115 -10*
,0,73
- 95
— 8*
»0,53 -75
Л 7^> 0.44Ï
. . . . . і . . i . .
Ф $ 3? &> Ф «Ь> ^
Рис.10. Экспериментальная диаграмма рассеяния пятилистника с нанесенными точками численными результатами
Литература
1. Лагарьков АН., Погосян МА Фундаментальные и прикладные проблемы стелс-технологий // ВЕСТНИК РАН, т.73, №9, 2003. — С. 848.
2. Будагян И.Ф., Шишканов А.В. Модернизация автоматизированного стенда по исследованию волновых процессов // 59-ая НТК МИРЭА. Сборник трудов. Ч.З. Технические науки. — М.: МИРЭА, 2010. — С. 49-54.
3. Кюркчан А. Г., Суков ЛИ. Метод вспомогательных сплайн-токов в задачах дифракции волн //Доклады академии наук. — Т. 372, №4, 2000. — С. 480-483.
4. Обуховец ВА Излучение и рассеяние электромагнитных волн. — М.: Радиотехника, 2005. — 80 с.
5. Будагян И.Ф., Щучкин Г.Г., Ганжела КА, Крючков ДИ., Сергеев АД, Белов МС Мультимедийный программно-методический комплекс "Исследование волновых процессов при распространении и дифракции радиоволн". Свидетельство об отраслевой регистрации разработки в фонде алгоритмов и программ № 9770 от 17.01.2008. Государственная регистрация разработки в "Национальном информационном фонде неопубликованных документов" № 50200800187 от 29.01.2008.
а)
б)
в)
Рис. 11. Контур пятилистника (а) и диаграммы рассеяния при углах падения волны в градусах: 0 (б); 30 (в); 45 (г); 60 (д); 90 (е)
RESEARCH OF FIELDS ELECTRODYNAMIC AT DIFFRACTION PROCESSES ON BODIES OF THE DIFFERENT FORM Budagjan LF., the professor, KPRES MGTU MIREA, tShishkanov AV., the graduate, KPRES MGTU MIREA, Shchuchkin G.G, the senior lecturer, KPRES MGTU MIREA
Abstract: Now the problem of reduction radar-tracking visibility various objects of arms and the military technique involves a close attention of industrially developed countries. In this connection, a vital topic is perfection of stealth's technologies. By them mean a complex of technical decisions in which result level of the signals arriving from military object on reception systems decreases, trying object to find out and destroy. The stealth-technology includes following basic directions: the diffraction theory on difficult bodies, working out and research of radio absorbing materials, technology of drawing of coverings and, at last, the radio physical experiment used for the control in each of listed directions. The work purpose was modernization of processes of measurement of diffraction on bodies of the various form on the automated installation (being in MGTU MIREA) and their research with use of processing of results on the connected computer by means of the developed specialized program. Carrying out of researches of diagram's of dispersion from the objects of the simple form received at the measuring automated stand in the echoless chamber, and their comparison with the theoretical data received by modeling, has led to approbation of a measurement technique and has confirmed possibility of its use for a finding of diagram's of dispersion and effective surface of dispersion from objects of the difficult form. A number of electrodynamics features of the absent-minded fields having applied value have been revealed. The done work will allow making more difficult experiments and researches in the field of diffraction of electromagnetic waves and nanosecond impulses, to bring the notable contribution to development of the given domain.
Keywords: Diffraction of electromagnetic waves, modeling of the electrodynamics' processes, the automated measuring stand, stealth's technologies, dispersion diagram's
38
T-Comm, #10-2012
