close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10800

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10800
(13) C1
(19)
G 01R 29/12
F 41H 11/00
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО
АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20061146
(22) 2006.11.17
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Военная академия Республики Беларусь" (BY)
(72) Авторы: Быков Игорь Михайлович;
Воинов Валерий Васильевич; Мокринский Владимир Валерьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Военная академия Республики Беларусь" (BY)
(56) Ангельский Р.Д. и др. Отечественные
зенитные ракетные комплексы. - М.:
АСТ, Астрель, 2002. - С. 168-173.
RU 95107540 A1, 1996.
SU 1129560 A, 1984.
EA 200400085 A1, 2005.
DE 19546873 C1, 1997.
BY 10800 C1 2008.06.30
(57)
1. Способ обнаружения маловысотного летательного аппарата, отличающийся тем,
что в точке земной поверхности, принятой за начало координат, измеряют вертикальную
составляющую напряженности электрического поля приближающегося маловысотного
летательного аппарата непосредственно на поверхности земли и на высоте h над ней; путем вычитания значения вертикальной составляющей напряженности электрического поля,
измеренного на поверхности земли, из значения вертикальной составляющей напряженности электрического поля, измеренного на высоте h, получают разность ∆Ez, характеризующую изменение величины вертикальной составляющей напряженности электрического
поля маловысотного летательного аппарата и удовлетворяющую соотношению:
Фиг. 1
BY 10800 C1 2008.06.30
∆E z =
k q ⋅ cos α 
h2 
,

4
3
+

l2
l 2 

м
;
Ф
q - заряд маловысотного летательного аппарата;
α - угол между вектором напряженности электрического поля, созданного зарядом q,
и осью OZ;
l - расстояние от заряда q до начала координат,
а об обнаружении маловысотного летательного аппарата судят по превышению ∆Ez порогового значения, за величину которого принимают значение измеренной у поверхности земли
вертикальной составляющей напряженности электрического поля, созданного электрическим полем Земли, естественными и промышленными помехами.
2. Устройство для обнаружения маловысотного летательного аппарата способом по
п. 1, содержащее первую и вторую измерительные пластины, выполненные с одинаковыми
площадями и с заземленными экранами, каждый из которых закреплен на валу с возможностью вращения для измерения вертикальной составляющей напряженности электрического
поля, устройство синхронизации вращения валов, первый и второй усилители, дифференциальный усилитель, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, детектор,
пороговое устройство, первый и второй индикаторы, при этом первая измерительная пластина соединена через первый усилитель с первым входом дифференциального усилителя,
вторая измерительная пластина соединена через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления со вторым входом дифференциального усилителя, выход которого через
второй усилитель и детектор соединен со входами порогового устройства и первого индикатора, выход порогового устройства соединен со входом второго индикатора, первая измерительная пластина с заземленным экраном установлена на высоте h, где h = 1,5-2 м,
над поверхностью земли, а вторая измерительная пластина с заземленным экраном установлена непосредственно на поверхности земли.
где k - постоянная, равная 9 ⋅ 109
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения
крылатых ракет, самолетов и вертолетов на малых высотах полета, а также других заряженных тел, движущихся в атмосфере.
Известен способ обнаружения летательного аппарата [1], включающий облучение летательного аппарата электромагнитным излучением, прием отраженного от летательного
аппарата электромагнитного излучения, измерение мощности принятого излучения, сравнение измеренной мощности с ее пороговым значением, суждение о наличии летательного
аппарата по превышению измеренной мощностью порогового значения.
Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность: излучающая
электромагнитные волны аппаратура может быть обнаружена и уничтожена противником,
а также противником может быть поставлена помеха в виде электромагнитной волны,
скрывающая летательный аппарат.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ
обнаружения летательного аппарата [2], включающий измерение параметра собственного
электромагнитного поля, создаваемого летательным аппаратом в процессе движения,
сравнение измеренного параметра с его пороговым значением, суждение о наличии летательного аппарата по превышению измеренным параметром порогового значения.
Однако по причине того, что регистрируют либо отраженное солнечное излучение,
либо инфракрасное излучение работающего реактивного двигателя, помехозащищенность
способа низкая, так как существует высокий уровень инфракрасного излучения Солнца и
облаков, ограничивающий угол обзора зоны обнаружения.
2
BY 10800 C1 2008.06.30
Задачей изобретения является повышение помехозащищенности процесса обнаружения
маловысотного летательного аппарата и увеличение угла обзора как минимум на 7,5 %.
Техническим результатом осуществления способа является скрытное, незаметное для
противника, обнаружение маловысотного летательного аппарата в пределах угла 2π стерадиан.
Известно устройство флюксметр [3], содержащее две измерительные пластины равной
площади, выполненные в виде отдельных частей одного сектора; заземленный экран, выполненный в виде сектора и укрепленный на валу электродвигателя; дифференциальный
усилитель.
Однако известное устройство обладает низкой чувствительностью к электрическому
полю, образованному точечным зарядом, расположенным над земной поверхностью.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является
устройство под названием "Электростатический флюксметр" [4], содержащее первую и
вторую измерительные пластины; заземленный экран, укрепленный на валу электродвигателя; первый и второй дифференциальные усилители; сумматор; усилитель с коэффициентом усиления, равным трем, в котором измерительные пластины соединены с первым и
вторым входами первого дифференциального усилителя и входами сумматора соответственно. Выход сумматора через усилитель с коэффициентом усиления, равным трем, подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, а выход первого дифференциального усилителя - ко второму входу второго дифференциального усилителя.
Однако это устройство обладает низкой чувствительностью к слабо неоднородным
электрическим полям, в том числе к полям зарядов, удаленных от него летательных аппаратов.
Задачей изобретения является повышение чувствительности устройства.
Техническим результатом осуществления устройства является повышение чувствительности как минимум в три раза.
Для решения поставленной задачи при осуществлении способа в способе, включающем измерение вертикальной составляющей напряженности электрического поля, создаваемого маловысотным летательным аппаратом в процессе движения, сравнение измеренной
вертикальной составляющей напряженности электрического поля с его пороговым значением, суждение о наличии маловысотного летательного аппарата по превышению измеренной вертикальной составляющей напряженности электрического поля порогового
значения, измеряют в точке земной поверхности, принятой за начало координат, вертикальную составляющую напряженности электрического поля приближающегося маловысотного летательного аппарата непосредственно на поверхности земли и на высоте h над
ней; путем вычитания значения вертикальной составляющей напряженности электрического поля, измеренного на поверхности земли, из значения вертикальной составляющей
напряженности электрического поля, измеренного на высоте h, получают разность ∆Ez,
характеризующую изменение величины вертикальной составляющей напряженности электрического поля маловысотного летательного аппарата и удовлетворяющую соотношению:
k q cos α 
h2 
,

4
3
∆E z =
+

l2
l 2 

м
где k - постоянная, равная 9 ⋅109 ;
Ф
q - заряд маловысотного летательного аппарата;
α - угол между вектором напряженности электрического поля, созданного зарядом q,
и осью OZ;
l - расстояние от заряда q до начала координат,
3
BY 10800 C1 2008.06.30
а об обнаружении маловысотного летательного аппарата судят по превышению ∆Ez порогового значения, за величину которого принимают значение измеренной у поверхности
земли вертикальной составляющей напряженности электрического поля, созданного электрическим полем Земли, естественными и промышленными шумами.
Для решения поставленной задачи в устройство для осуществления способа обнаружения маловысотного летательного аппарата, содержащее первую и вторую измерительные
пластины, выполненные с одинаковыми площадями; первый заземленный экран, закрепленный на валу с возможностью вращения для измерения вертикальной составляющей
напряженности электрического поля; первый усилитель; дифференциальный усилитель,
включены второй заземленный экран, закрепленный на валу с возможностью вращения
для измерения вертикальной составляющей напряженности электрического поля; устройство синхронизации вращения валов; второй усилитель; усилитель с регулируемым коэффициентом усиления; детектор; пороговое устройство; первый и второй индикаторы, при
этом первая измерительная пластина соединена через первый усилитель с первым входом
дифференциального усилителя, вторая измерительная пластина соединена через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления со вторым входом дифференциального
усилителя, выход которого через второй усилитель и детектор соединен со входами порогового устройства и первого индикатора, выход порогового устройства соединен со входом
второго индикатора, первая измерительная пластина с заземленным экраном установлена
на высоте h, где h = 1,5…2 м, над поверхностью земли, а вторая измерительная пластина с
заземленным экраном установлена непосредственно на поверхности земли.
Принцип действия способа обнаружения маловысотной цели поясняет фиг. 1. На
фиг. 1 показано образование дополнительного электрического поля заряда над горизонтальной поверхностью земли при наличии неровности в виде полушария. Обозначения на
фиг. 1 следующие:
q, q' - заряд маловысотного летательного аппарата и его зеркальное отображение в горизонтальной поверхности земли соответственно;
qн, q 'н - отображение заряда q в полусфере и его собственное отображение в горизонтальной поверхности земли соответственно;
Н, Д - высота полета и горизонтальная дальность маловысотного летательного аппарата соответственно;
l, lн - расстояния от зарядов q и qн до центра полусферы соответственно;
h - радиус неровности - полусферы;
E − , E + - напряженности электрического поля, создаваемые зарядами q и q' в центре
полушария соответственно;
E н , E' - напряженности электрического поля, создаваемые зарядами qн и q ' в верн
н
шине полушария соответственно;
rн, rн' - расстояния от зарядов qн и q 'н до вершины полушария соответственно;
r - расстояние от заряда q до вершины неровности;
OX, OZ - оси координат;
α - угол между вектором E − и осью OZ;
β, β' - углы между векторами E н и E'н и линией оси OZ соответственно.
Схема заявляемого устройства, реализующего способ обнаружения маловысотного летательного аппарата, показана на фиг. 2. Обозначения на фиг. 2 следующие:
1, 2 - первый и второй экраны, установленные на валах, соответственно;
3, 4 - первая и вторая измерительные пластины соответственно;
5 - устройство синхронизации, например общий механический привод вращающихся
валов;
6, 7 - первый и второй усилители, выполненные, например, на микросхемах К140УД8;
4
BY 10800 C1 2008.06.30
8 - дифференциальный усилитель, выполненный, например, на микросхеме К140УД7;
9 - детектор, например, диодный;
10 - пороговое устройство, например компаратор на микросхеме К140УД7;
11 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выполненный, например, на
микросхеме К140УД8;
12, 13 - первый и второй индикаторы соответственно, например, стрелочные.
Сущность способа обнаружения маловысотного летального аппарата заключается в
следующем.
При отсутствии неровности заряд маловысотного летательного аппарата q и его зеркальное отображение в земле q' = -q создают на высоте h над горизонтальной поверхностью земли вертикальную составляющую электрического поля Ez, равную:
(1)
Ez = E– sin α1 + E+ sin α2,
где Е–, Е+ - напряженности электрического поля зарядов q и q' соответственно;
αl, α2 - углы между Е– и Е+ и осью OZ соответственно.
В соответствии с законом Кулона:
kq
E− = 2 ,
(2)
r
kq'
E+ =
(r ')2
,
(3)
где r, r' - расстояния от зарядов q и q' до точки с координатами (0, h) соответственно;
м
k - постоянная, равная 9 ⋅109 .
Ф
Очевидно, что
r 2 = Д 2 + (H − h )2 ,
(4)
(r')2 = Д 2 + (H + h )2 ,
(5)
где Д, Н - горизонтальная дальность и высота полета маловысотного летательного аппарата соответственно.
Очевидно, что
H−h
H−h
=
,
sin α1 =
(6)
r
Д 2 + (H − h )2
sin α 2 =
H−h
=
(r')2
H+h
Д 2 + (H + h )2
.
(7)
С учетом (2)…(7) выражение (1) преобразуется к виду:

H−h
E z = kq
2
2
 Д + (H − h )
(
)
32
+
(Д
H+h
2
+ (H + h )
2

.
32

)
(8)
При h = 0
E z 0 = kq
(Д
2H
2
+H
)
2 32
.
(9)
Разница напряженностей (Ez0 - Ez) очень мала и зарегистрировать ее при больших значениях Д на фоне электрического поля Земли практически невозможно. Высота Н для ти-
5
BY 10800 C1 2008.06.30
пичного примера маловысотных летательных аппаратов, крылатых ракет, составляет порядка 40 м [5].
Рассчитаем дополнительную напряженность электрического поля, создаваемого неровностью в виде полушария радиуса h, при наличии заряда над поверхностью земли.
Для этого необходимо, используя метод изображений [6], определить величину заряда
qн - изображения заряда q в объеме полушария и его положение в нем, то есть величину lн.
С этой целью найдем потенциал точки поверхности полушария, создаваемый зарядами q и qн:
ϕ=−
k q k qн
+
,
r
rн
(10)
где rн - расстояние от заряда qн до точки определения потенциала поля (фиг. 1).
Поскольку потенциал сферической поверхности должен оставаться равным нулю, на
основании (10) имеем:
q
r
=
qн
rн
.
(11)
Очевидно, что такое же условие выполняется и для зарядов q' и q 'н .
На основании теоремы косинусов:
r 2 = l 2 + h 2 − 2lh cos α;
(12)
rн2 = l н2 + h 2 − 2l н h cos α.
(13)
Комбинация уравнений (11)…(13) дает:
q2
q н2
=
r2
rн2
=
h 2 + l 2 − 2hl cos α
h 2 + l н2 − 2hl н cos α
.
(14)
Соотношение (14) должно выполняться при любом угле α, то есть не зависеть от него.
Это означает, что
d  h 2 + l 2 − 2hl cos α 
= 0,
dα  h 2 + l н2 − 2hl н cos α 
или после взятия производной
(h 2 + l 2 − 2hl cos α ) ⋅ 2hlн sin α = 0.
2hl sin α
−
h 2 + lн2 − 2hlн cos α
(h 2 + lн2 − 2hlн cos α )2
(15)
(16)
Из (16) следует:
h2
.
l
Подстановка (17) в (14) дает соотношение:
lн =
qн = q
lн
l
(17)
(18)
или
h
.
(19)
l
Изменение вертикальной составляющей поля в верхней точке полушария составит:
∆E z = E н cos β − E 'н cos β' ,
(20)
qн = q
6
BY 10800 C1 2008.06.30
где Eн и E'н - величины напряженностей электрического поля, создаваемые зарядами qн и
q 'н , соответственно;
β и β' - углы между векторами E н и E'н и линией оси OZ соответственно.
На основании теоремы синусов имеем (фиг. 1):
l sin α
;
sin β = н
rн
sin β' =
lн sin α
,
rн'
(21)
(22)
а на основании теоремы косинусов:
(r )
' 2
н
= h
2
+ l н2 − 2 l н h cos α .
(23)
Очевидно, что в соответствии с (21)
cos β = 1 −
lн2
l
sin 2 α =
rн2 − lн2 sin 2 α .
2
rн
rн
Используя (13), получим:
cos β =
l
h
l2
l h
h 2 + l н2 − 2lн h cos α − lн2 sin 2 α =
1 + н2 cos 2 α − 2 н 2 cos α .
rн
rн
h
h
(24)
Учитывая соотношение (17), преобразуем (24) к виду:
cos β =
h
l
h
1 + н cos 2 α − 2 cos α .
rн
l
l
В практически применимых случаях
l >> h >> l н ;
cos β =
Поскольку 1 >>
h
h
1 − 2 cos α .
rн
l
(25)
(26)
(27)
2h
cos α , после использования основного члена ряда разложения (27)
l
получим:
cos β =
h h

1 − cos α .
rн 
l

(28)
Аналогично, используя (23), легко получить, что
cos β' =
h h

1 + cos α .

l

rн' 
(29)
В выражении (20)
Eн =
E 'н
=
k qн
rн2
k q 'н
(r )
' 2
н
На основании (13) и (17)
7
;
(30)
.
(31)
BY 10800 C1 2008.06.30
−3 2
2h

 l
(32)
.
rн− 3 = h − 3 1 + н − cos α 
l
l


Разложение (32) в ряд при условии (26) и использование главного члена разложения
дает:

 1,5l н 3h
rн− 3 ≈ h − 3 1 −
− cos α .
l
l


Аналогично, принимая во внимание (23), получим:
(33)
(r )
' −3
н

 1,5l н 3h
= h − 3 1 −
− cos α .
(34)
l
l


Подстановка (33), (34), (28), (29) в (20) и проведение алгебраических преобразований
полученного выражения дают:
2
k q cos α 
 4 + 3 h .
(35)

l2
l 2 

Заземление прибора, измеряющего вертикальную составляющую напряженности электрического поля на высоте h, увеличивает электрическое поле аналогично выпуклости радиуса h.
Напряженность электрического поля удаленного летательного аппарата, напряженность электрического поля Земли, естественных и промышленных помех на высоте h и у
поверхности земли можно считать одинаковыми. Поэтому вычитание измеренных значений напряженностей электрического поля у поверхности земли и на высоте h приводит к
определению величины ∆Ez, прямо пропорциональной электрическому полю заряда маловысотного летательного аппарата. При этом устраняются фоновая величина напряженности Земли (порядка 100 В/м) и наводки, вызванные естественными и промышленными
шумами, что существенно увеличивает дальность обнаружения маловысотного летательного аппарата. В частности, полностью компенсируются наводки, вызванные удаленными
грозовыми разрядами.
Устройство, осуществляющее способ обнаружения маловысотного летательного аппарата, функционирует следующим образом (фиг. 2).
Сигнал с первой измерительной пластины 3, установленной на высоте h над землей,
равен:
∆E z =
i1 = 2εε 0S1f1 (E ш + E з + E z + ∆E z )sin ω1t ,
(36)
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала покрытия пластины;
ε0 - диэлектрическая постоянная;
S1 - площадь первой измерительной пластины 3;
f1 - частота экранирования пластины 3 экраном 1;
ω1 = 2πf1 - циклическая частота экранирования;
Eш - вертикальная составляющая напряженности электрического поля естественного и
промышленного шума;
Eз - вертикальная составляющая напряженности электрического поля Земли.
Этот сигнал поступает на вход усилителя 6, а с выхода усилителя 6 подается на первый вход дифференциального усилителя 8.
Сигнал со второй измерительной пластины 4, установленной непосредственно на Земле, равен:
i 2 = 2εε 0S 2 f 2 (E ш + E з + E z )sin ω2 t ,
(37)
где S2 - площадь второй измерительной пластины 4;
8
BY 10800 C1 2008.06.30
f2 - частота экранирования пластины 4 экраном 2;
ω2 = 2πf2 - циклическая частота экранирования.
Для синхронизации сигналов площади измерительных пластин изготавливаются одинаковыми:
S1 = S2 = S,
(38)
а устройство синхронизации 5 обеспечивает одинаковую частоту вращения валов первого 1
и второго 2 экранов:
f1 = f 2 = f .
(39)
Измерительные пластины 3 и 4 с экранами 1 и 2 устанавливаются на расстоянии h
друг от друга, чтобы устранить электростатические наводки.
Сигнал второй измерительной пластины 4 через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 11 подается на второй вход дифференциального усилителя 8. Сигнал с
выхода дифференциального усилителя 8 усиливается вторым усилителем 7, детектируется
детектором 9 и индицируется индикатором 12. При отсутствии сигнала маловысотного
летательного аппарата регулировкой коэффициента усиления регулируемого усилителя 11
добиваются минимальных показаний индикатора 12. При этом происходит выравнивание
амплитуд шумовых и фоновых составляющих сигналов измерительных пластин 3 и 4.
При появлении полезного сигнала его величина на выходе дифференциального усилителя 8 равна:
i = i1 − i 2 .
(40)
Так как выполняются условия (38) и (39), на основании (36) и (37) имеем:
i = 2εε 0Sf (∆E z )sin ωt.
(40)
С выхода детектора 9 сигнал поступает на пороговое устройство 10. При отсутствии
полезного сигнала от цели по минимальным показаниям индикатора 12 устанавливается
порог срабатывания порогового устройства 10. При появлении полезного сигнала от маловысотного летательного аппарата величина выходного сигнала детектора 9, поступающего на вход порогового устройства 10, превышает величину установленного порогового
значения. На выходе порогового устройства 10 появляется выходной сигнал, фиксирующийся индикатором 13, что означает обнаружение маловысотного летательного аппарата.
Существующие возможности способа-прототипа [2] обеспечивают ведение стрельбы
при углах направления на Солнце более 20°, при угловом превышении цели над горизонтом более 2° и в пределах угла места до 60°. В целом это определяет телесный угол, в пределах которого возможно осуществление операций способа-прототипа, 1,79π стерадиан.
Заявляемый способ за счет измерения напряженности электрического поля на высоте h
над землей и непосредственно на ее поверхности и вычитания обоих сигналов обеспечивает обнаружение маловысотной цели в пределах телесного угла 2π стерадиан, то есть
расширяет телесный угол помехозащищенной работы на 11,7 процентов.
Чувствительность устройства-прототипа к электрическому полю маловысотного летательного аппарата определяется разностью расстояний h0 от измерительных пластин до
экрана, однако наличие у измерительных пластин общего экрана не дает возможности существенно увеличить чувствительность прибора. Заявляемое устройство за счет введения
второго заземленного экрана, устройства синхронизации, второго усилителя, усилителя с
регулируемым коэффициентом усиления, детектора, первого и второго индикаторов обеспечивает увеличение расстояния между измерительными пластинами в пять и более раз,
чем достигается соответствующее увеличение чувствительности.
9
BY 10800 C1 2008.06.30
Источники информации:
1. Слуцкий В.З., Фогельсон Б.И. Импульсная техника и основы радиолокации. - М:
Воениздат, 1975. - С. 220-240.
2. Ангельский Р.Д., Шестов И.В. Отечественные зенитные ракетные комплексы. Иллюстрированный справочник. - М.: ACT, Астрель, 2002. - С. 168-173.
3. А.с. СССР 1394168, МПК G 01R 29/12, 1988.
4. А.с. СССР 1129560, МПК G 01R 29/12, 1984.
5. Волковский Н.Л. Энциклопедия современного оружия и боевой техники. Т.1. - М.:
Полигон, 2002. - С. 54-56.
6. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1976. - С. 71.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
137 Кб
Теги
by10800, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа