Измерение эффективной площади рассеивания объектов сложной конфигурации с использованием Новосибирского лазера на свободных электронах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.67

ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОСИБИРСКОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Александр Григорьевич Черевко

Сибирский государственный унивеситет телекоммуникации и информатики, 630106, Россия, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой физики, e-mail: cherevko@mail.ru

Виталий Владимирович Кубарев

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 11, доктор физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: V.V.Kubarev@inp.nsk.su

Рассмотрены возможности использования Новосибирского лазера на свободных электронах (НЛСЭ) в качестве источника излучения в специальной установке, предназначенной для измерения эффективной площади рассеяния (ЭПР) уменьшенных моделей трехмерных объектов, с целью оценки ЭПР этих объектов в гигагерцовом диапазоне частот. Приведены результаты измерения ЭПР различных моделей.

Ключевые слова: лазер на свободных электронах, эффективная площадь рассеяния, те-рагерцовое излучение.

RADAR CROSS-SECTION MEASUREMENT BY OBJECTS OF COMPLEX GEOMETRICAL SHAPE USING NOVOSIBIRSK FREE ELECTRON LASER

Alexander G. Cherevko

Siberian State University of Telecommunications and Informatics, 630106, Russia, Novosibirsk, 86 Kirova St., Ph. D., associate Professor, Head of Department of physics, e-mail: cherevko@mail.ru

Vitaliy V. Kubarev

Institute of Nuclear Physics. G. I. Budker SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 11 Akademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., associate Professor, senior researcher, e-mail: V.V.Kubarev@inp.nsk.su

The possibilities of using the Novosibirsk free electron laser (NovoFEL) as a radiation source, a special unit intended for measurement of effective area of dispersion (EPR) reduced models of three-dimensional objects, with the purpose of measuring the ESR of these objects in the gigahertz frequency range. The results of measuring the ESR of the different models.

Key words: free electron laser, the effective area of scattering, terahertz radiation.

Эффективная площадь рассеяния (ЭПР, соответствующий английский термин - radar cross-section (RCS)) является одной из важнейших характеристик объектов в радиолокации, поскольку определяет возможность его обнаружения и опознавания. Поэтому технологии определения ЭПР непрерывно развиваются. Появление мощных вычислительных машин и специальных эффективных алгоритмов привело к развитию численных методов расчета ЭПР, но в настоящее

время приемлемые по точности значения могут быть получены только для относительно простых объектов. К тому же, как известно, не существует иных способов проверки точности расчетов для сложного объекта, кроме их сравнения с экспериментом.

Таким образом, развитие новых экспериментальных методов, позволяющих получить данные по ЭПР сложных объектов, особенно в зоне Фраунгофера (дальней зоне), в которой, как правило, работают РЛС, является актуальной задачей.

Определение ЭПР сложных объектов -SQ при заданной длине волны излучения Х0 по значению ЭПР точной уменьшенной модели объекта SM, измеренной с использованием излучения с более короткой длиной волны А,М< Х0 (масштабное моделирование) является традиционным [1]. Искомая ЭПР определяется по соотношению

SQ = f $M. (1)

ЛМ

Для строгого выполнения соотношения (1) необходимо, чтобы диэлектрическая и магнитная проницамость объекта и его макета были одинаковы, а электропроводность макета аМ соответствовала соотношению °м = (Ао/АмК, где ао - электропроводность объекта. Для объектов с высокой электропроводностью эти ограничения не оказывают существенного влияния на результат, если обеспечена высокая поверхностная электропроводность макета [1].

Использование терагерцового (ТГц) диапазона для масштабного моделирования может существенно упростить определение ЭПР объектов большого размера (порядка и более 10 м) для миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов, поскольку модели этих объектов в ТГц -диапазоне имели бы удобные для проведения экспериментов малые размеры (/М = (Ам До )1о).

Наиболее эффективным источником ТГц -излучения для этих целей является Новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ), который является самым мощным в мире источником ТГц -излучения [2]. Частота ЛСЭ может перестраиваться с высокой точностью. НЛСЭ имеет несомненные преимущества перед маломощными фемтосекундными лазерами, используемых для подобных экспериментов [3].

В настоящей работе авторы оценили возможность измерения ЭПР простых и сложных объектов с использованием НЛСЭ. Простыми объектами являлись примитивы: куб с ребром 20 мм из алюминия, алюминиевый цилиндр диаметром и длиной по 20 мм и стальные шары диаметром 13 мм и 28 мм. Эти объекты использовались для калибровки экспериментальной установки.

В качестве более сложного объекта на поворотном стенде устанавливалась стилизованная (неточная) модель истребителя пятого поколения F-22 "Raptor" (США).

Разработанную экспериментальную установку для измерения ЭПР, (схема эксперимента на рис. 1) можно рассматривать как аналог локатора ТГц-диапазона [4]. Объект размещается на измерительном стенде, включающем поворотный стенд с угловой шаговой подвижкой.

Рис. 1. Схема экспериментов:

1, 2 - параболические зеркала передающей антенны; 3 - объект на двумерном угловом сканере (поворотном стенде); 4 - приемная параболическая зеркальная антенна; 5 - детекторная система

Для проведения экспериментов по измерению ЭПР моделей были выбраны следующие параметры излучателя: длина волн X = 0.13 мм (2.308 ТГц). Импульсы с длительностью 80 пс, частота следования импульсов 5.6 МГц, импульсная мощность 200 кВт, средняя мощность 90 Вт.

Проверка работоспособности экспериментальной установки и ее калибровка проводились на простейших полированных алюминиевых объектах - примитивах: кубе и цилиндре, а также на стальных шарах двух диаметров. Измерялась угловая зависимость ЭПР примитивов. В угловой зависимости интенсивности отраженного сигнала от вращающегося куба наблюдались четкие пики, соответствующие зеркальному отражению, а в случае отражения от боковой поверхности цилиндра и от шаров угловая зависимость интенсивности отраженного сигнала отсутствовала.

ЭПР стилизованной стальной модели истребителя 5-го поколения F-22 "Raptor" определялась путем нормирования относительной интенсивности отраженного сигнала к интенсивности отраженного сигнала шара радиусом Яш = 14 мм. Поскольку ЭПР шара равна его поперечному сечению, в нашем случае = пИ'Ш = 1,96 см2 = 2,92 дБсм2. В радиолокации, в связи с большим диапазоном изменения ЭПР, для ее характеристики часто применяется вместо (м 2) единица измерения дБм2. Их связь имеет вид: RCS, дБм2=10^ (RCS, м2).

1/

5

Результаты экспериментов по измерению ЭПР F -22 представлялись на круговых диаграммах, где фоновым рисунком служит фотография F-22, поясняющая положение модели при эксперименте. Угол 0 - угол между направлением пучка и нормалью к нижней части фюзеляжа. В эксперименте объект закреплялся под углом 0 и далее на поворотном столе изменялся его азимутальный угол ф, который и являлся аргументом круговой диаграммы.

Эксперименты проведены при углах 0 = 0°, 45°, 90°, и 315° (-45°). Азимутальный угол изменялся через 1°. Максимальные пики на всех диаграммах соответствовали зеркальным отражениям от тех или иных плоских частей самолета, которые, как следовало ожидать, сильно увеличивают эффективную площадь рассеяния объекта в направлениях таких зеркальных отражений.

Например, при 0 = 90° (рис. 2), когда модель облучается со стороны кромки крыльев, наблюдается минимальное рассеяние. В этом случае существенный вклад могут давать кили хвостового оперения модели, которые установлены почти вертикально, этому соответствуют небольшие пики на диаграмме при ф = 0°, 180° и 360°.

Рис. 2. ЭПР модели истребителя F-22 "Raptor" при 0 = 90°; б - увеличенный

масштаб

Эксперименты показали, что применение НЛСЭ как источника ТГц излучения при измерении ЭПР простых и сложных объектов должно быть весьма эффективным. В то же время эксперимент показал, что для работы в дальней зоне (зоне Фраунгофера) необходимо повышать чувствительность установки и снижать ее шумы, что возможно при использовании гелиевого детектора, который позволит измерять отраженный сигнал на расстоянии порядка 50 м. Поглощение терагерцевого излучения на водянных парах в воздухе в этих экспери-ментах можно уменьшить до приемлемого уровня, настраивая длину волны НЛСЭ в одно из многочисленных окон прозрачности атмосферы.

Для расширения номенклатуры моделей целесообразно увеличить диаметр пучка.

Заметим, что подобные измерения в дальней зоне возможны только с мощным излучением НЛСЭ. Кроме этого, плавная перестройка длины волны излучения лазера позволяет моделировать ЭПР на заданых частотах реальных ГГц-локаторов, используя одни и те же дорогостоящие точные модели реальн ых объектов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сколник Н. И. Справочник по радиолокации: в 4 т, Москва, Советское Радио, 1976 -1979, Т. 1. С. 356.

2. Kulipanov G. N., Bagryanskaya E. G., Chesnokov E. N., Choporova Yu. Yu., Gerasimov V. V., Getmanov Ya. V., Kiselev S. L., Knyazev B. A., Kubarev V. V., Peltek S. E., Popik V. M., Salikova T. V., Scheglov M. A., Seredniakov S. S., Shevchenko O. A., Skrinsky A. N., Veber S. L., and Vinokurov N. A. Novosibirsk free electron laser - facility description and recent experiments // IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology. 2015. V. 5 (5). P. 798 -809.

3. Michishita N., Dinh N., Yamada Y. Simulation and Measurement Methods for RCS Estimations of a Scale Model Airplane // REV Journal on Electronics and Communications. 2016. V. 5, № 1-2. P. 151-158.

4. Черевко А. Г., Ильин Е. М., Полубехин А. И., Черевко А. А., Кубарев В. В. Патент RU 164965 U1, Терагерцовый радиолокатор, приоритет от 18.09.16. Опубликован 27.09.2016 Бюл. № 27.

© А. Г. Черевко, В. В. Кубарев, 2017