CN112350074A - 一种龙伯透镜反射器及包含其的无源雷达反射球 - Google Patents

Abstract

本发明涉及龙伯透镜反射器及包含其的无源雷达反射球，所述龙伯透镜反射器采用3D技术打印成型，无源雷达反射球包含波透镜反射器球，还包括底盘和中空的壳体，所述底盘固定连接在所述壳体的底部，所述壳体的外壁设置把手，所述壳体的内部设置龙伯透镜反射器，所述介质球层的介电常数由球心向外逐渐减小，所述龙伯透镜反射器的底部设置反射区。本发明所述龙伯透镜反射器具有较好的反射效果，所述无源雷达反射球抗干扰能力强，多个无源雷达反射球串联组成无源级联雷达反射球体假目标，解决了无源雷达信号模拟中反射面积有限，反射信号受环境干扰的问题。

Description

一种龙伯透镜反射器及包含其的无源雷达反射球

技术领域

本发明涉及无源雷达假目标模拟技术领域，尤其是一种龙伯透镜反射器及包含其的无源雷达反射球，用于水上雷达假目标的模拟。

背景技术

目前水上无源雷达假目标模拟比较实用的都采用充气式角反射体来模拟，这种反射体虽然使用方便，直接投射自动充气打开，但实用效果由于采用充气式在水面漂浮，随之水流或海浪的变化对其雷达反射面积影响会很大，即雷达的反射面积随之海况或水况气象条件不同会变化很大，这在某种程度上限制了其使用。尤其是该反射体不能带有一定速度进行拖曳，因为这样会造成角反射体变形，更加影响其雷达反射面积。

采用龙伯透镜技术实现无源雷达反射体目前在雷达应用领域还没有出现，由于雷达反射面积一般都需要形成大面积的有效反射，这就需要龙伯透镜要有很大的尺寸和极高的制作精度以及介质的分布层次精度才能保证，即对龙伯透镜的每层介质层介质要分布均匀，介质过度要平滑等，这给制造高精度的龙伯透镜反射体带来了很大困难，对龙伯透镜的制作精度要求很高才能做到，这在以前用开模模具的方法是无法做到的，因此采用龙伯透镜技术实现大反射面积雷达反射在雷达领域应用受到了极大的限制，在以往的技术实现上几乎不可能。龙伯透镜技术的成熟应用都是在通信领域应用，用于通信天线，由于通信领域需功率较小，对龙伯透镜要求不高，只要方向图和增益满足要求就可以了，关键是需要体积较小，制造也不复杂，所以龙伯透镜技术在通信领域得到了应用。例如发明专利申请CN110336135A公开了一种基于3D打印机设计的低成本龙伯透镜天线，主要解决现有技术结构复杂，不便加工的问题。其包括半球透镜(1)、圆形金属反射板(2)、塑料支架(3)和Vivaldi馈源(4)，半球透镜固定在圆形金属反射板上表面，且球心与反射板圆心重合，Vivaldi馈源固定在半球透镜的焦距位置，该半球透镜采用由球核(11)和两层半球壳(12，13)构成的网状填充结构，且第一层半球壳嵌套在球核外面，第二层半球壳嵌套在第一层半球壳外面，该三者的等效介电常数不同，且各自对应着不同填充率的填充介质。由于通信领域的频段与雷达领域的频段完全不同，虽然应用的理论原理基本相同，但在实际应用方法，制作方法，制作精度，制作工艺，应用目的和应用效果是完全不同的两个方面，因此上述专利的内容无法解决雷达无源模拟中存在的问题。

无源雷达反射器目前应用主要有三种，一种是无源角反射器，一种是双锥反射器，一种是龙伯透镜反射器。角反射器有效反射面积较大，但水平面上的方向图宽度比较窄；双锥反射器的在水平面上无方向性限制，但有效反射面积比同样尺寸的角反射器要小，龙伯透镜反射器在同样的尺寸下既有较大有效反射面积，水平面上的方向图宽度又比较宽。

由于龙伯透镜需要专门的材料和制造工艺及精度，造价贵，重量大，在3D打印技术未成熟之前，采用开模具方法制作，工艺复杂，精度很难把握，因此一直没有得到应用。无源角反射器应用最广泛的是三角形反射器，目前水面上可以应用的无源假目标只有充气式多面体角反射球体形成球体结构反射作为假目标。为了达到很大的雷达反射面积，充气后的多面角反射球体体积庞大，一般球体直径尺寸要大于4米以上，才能满足模拟舰船实际雷达有效反射面积的需要。这种反射球体只能在海上飘动，不能以一定的速度移动，一旦以一定速度移动受风阻力影响，整体会变形，雷达有效反射面积变化很大，甚至会产生没有有效雷达反射面积问题，因此实际应用中会受到很大限制，只能以自然漂浮目标作为使用。

单个三角形反射器反射面积为

方向图宽度为40°，龙伯透镜反射器为球型反射器，其有效反射面积为

在球的水平面上加有宽度为L的环形反射面的龙伯透镜反射器，它在水平面具有360°全方位反射性能。在相同尺寸条件下，龙伯透镜反射器的有效反射面积最大值比三角形角反射器约大30倍。实际上，龙伯透镜由于存在介质损耗及制造的不完善等，其有效反射面积较理论计算值小1.5dB左右。龙伯透镜反射器的优点是体积较小，有效反射面积大，在水平和垂直方向上都有宽的方向性，缺点是需要专门的材料和制造工艺及精度，造价贵，重量大。由于以前国内外制造技术的限制，主要是采用模具分层按球壳制造模具加工，龙伯透镜反射器的尺寸和有效雷达反射面积做不了很大，最大有效雷达反射面积也就几十个平方米，这在应用上受到了极大的限制。对于需要大面积的雷达反射面积来讲用龙伯透镜反射器就无法模拟，因此采用模具形式制作龙伯透镜实现大面积雷达假目标技术上有很大困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的无源雷达模拟中存在的雷达假目标构建和反射面积小、反射面积受环境影响不稳定问题，提供一种龙伯透镜反射器及包含其的无源雷达反射球。

本发明解决了采用龙伯透镜技术实现大面积雷达反射面积问题，和水面上随外界条件变化对反射面积的影响问题。具体的，本发明将龙伯透镜反射器至于壳体内，刚性壳体对其形成保护，这样球体反射器在水面上运动其阻力不大，内部结构不会变形，不会对反射面积造成影响。另一方面，本发明采用单个无源雷达反射球串联的方式，来实现大面积雷达反射，该方案突破了制造大反射面积大尺寸龙伯透镜反射器制造技术的难题。本发明采用了引起制造业革命的3D打印技术，分层打印制造龙伯透镜反射器，这样就可实现大尺寸球体和大反射面积龙伯透镜反射器制造。由于龙伯透镜反射器是用低损耗介质材料制造，其结构是按照材料介电常数的不同分布分层套制而成，这样采用3D平面打印技术很容易实现每一平面层的介电常数分布。

采用本发明中龙伯透镜反射器为内核的反射球体制作的雷达假目标，能模拟出大的有效雷达反射面积，而且可使其可按一定速度运动，且雷达有效反射面积不受影响。为使单个龙伯透镜有效雷达反射面积达到1000平米以上，龙伯透镜的半径至少要达到30厘米以上，考虑到目前3D打印制造设备的技术水平，龙伯透镜的直径尺寸可选在60厘米至90厘米，实际的有效雷达反射面积能达到1000平米以上。

本发明中，龙伯透镜是一种层状结构的介质球，其外层的介电常数与空气相同或接近，越向球心介电常数越大，这样结构的龙伯透镜能把截获的电磁波聚集到一起，当平面波入射透镜上时，经透镜而被聚焦到此平面波前垂直的直径的另一端，若在另一端放置金属反射镜面就可形成龙伯透镜反射器，单个龙伯透镜反射器是一个球型体。按照设计每层介电常数，利用3D打印制造技术实现每层打印，并完成制造产品。

具体方案如下：

一种龙伯透镜反射器的成型方法，所述龙伯透镜反射器包括球核、包围在所述球核外部的介质球层，以及圆弧区域金属反射面，包括以下步骤：

s01，根据龙伯透镜反射器的反射面积进行参数设计，所述参数设计是先确定球半径和介质球层厚度，及圆弧区域金属反射面面积大小，所述介质球层包含多个不同介电常数的介质层，之后确定介质层数量和相应的介质层厚度，由靠近球心的介质层逐步外扩到最外层介质层，从而将龙伯透镜反射器体分成多个圆；

s02，若球直径小于等于50厘米，可将设计好的圆采用3D打印成型，一层打印完进行下一层打印，打印完整的龙伯透镜反射器介质球体；

若球直径大于50厘米，可将球以球心进行分割，分割成2-4部分，分别按要求进行打印，然后将打印好分割结构部分进行拼接，获得龙伯透镜反射器介质球体；

s03，采用介质打印圆弧区域金属反射面；

s04，将介质球体与圆弧区域金属反射面拼接，获得龙伯透镜反射器。

进一步的，步骤s03中，圆弧区域金属反射面打印后，对内弧面积区域抛光并在其上电镀金属，或直接金属打印，内层抛光。

本发明还保护一种无源雷达反射球，包含所述成型方法制备得到的龙伯透镜反射器，还包括底盘和中空的壳体，所述底盘固定连接在所述壳体的底部，所述壳体的外壁和所述底盘分别设置把手，所述壳体的内部设置龙伯透镜反射器，所述介质球层的介电常数由球心向外逐渐减小，所述龙伯透镜反射器的底部设置反射面。

进一步的，所述壳体为球形或者椭圆形刚性壳体，所述龙伯透镜反射器的质量大于所述壳体，所述底盘具有一定的配重比例，从而使得所述底盘、所述壳体和所述龙伯透镜反射器形成不倒翁结构。

进一步的，所述壳体的外壁中间位置对称设置把手，或者在所述底盘上固定连接把手。

进一步的，所述龙伯透镜反射器中，所述介质球层包含多个不同介电常数的介质层，最外层的所述介质层的介电常数与空气相同；反射面为圆弧区域金属反射面。

本发明还保护一种无源级联雷达反射球体假目标，包含所述无源雷达反射球，所述无源级联雷达反射球体假目标由多个所述无源雷达反射球通过所述把手串联组成。

进一步的，所述无源雷达反射球的个数为6～9，相邻所述无源雷达反射球之间的间距为10～20米。

进一步的，所述无源雷达反射球的直径为1～1.5米，有效雷达反射面积≥1000平米。

进一步的，所述无源雷达反射球中，所述龙伯透镜反射器的直径为60～90厘米。

有益效果：本发明通过参数设计结合3D打印技术完成龙伯透镜反射器的成型龙伯透镜反射器的成型，解决了龙伯透镜反射器不便加工的问题。

进一步的，通过龙伯透镜反射器内置于壳体内，解决现有充气式球形角反射体易受外界环境干扰造成反射信号忽大忽小不稳定的问题。优选采用水上不倒翁结构，解决水上任意方向雷达反射有效面积基本恒定问题，使龙伯透镜反射区域在方位360度都存在有效的雷达反射面积。具体的，单个龙伯透镜反射器封装在一个不倒翁的壳体内，这个壳体采用刚性结构，例如玻璃钢保护层，具有密封、防腐蚀、耐高低温度。壳体大小根据龙伯透镜的重量、海水的浮力，重量重心稳定度等综合因素考虑设计，直径可根据实际需要进行选择，一般可在1.6米以下进行选择。

再则，壳体球体两侧或者底部有用于连接的把手，例如耳环把手，左右把手的作用是用于多个反射球体的级联，底部把手的作用是当用于海水养殖时连接与水底部的网格。在壳体底部突出凸弧形体积结构并配重，即底盘，以满足反射器在海水中漂浮或运动时重心稳定，水平面倾角变化较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明龙伯透镜反射器球体分层介质球剖面示意图。

图2是本发明一个实施例提供的龙伯透镜反射器在水平方向最大直径截面介质层结构俯视示意图；

图3是本发明一个实施例提供的龙伯透镜反射器在竖直方向的最大直径介质层结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的无源雷达反射球结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的无源级联雷达反射球体假目标结构示意图。

图1中：11-反射带，12-球核，13-介质球层，θ₁-电磁波入射角，θ₂-电磁波折射角，R-最外层的最大半径，R_i-任意层的平均半径，ε₁-空气相对介电常数，ε-介质材料相对介电常数。

图2中：21-球心圆面积介质1，22-介质带2，23-介质带3，…，2N-介质带N。

图3中：30-介质层厚度0,31-介质层厚度1，32-介质层厚度2，33-介质层厚度3，34-介质层厚度4，…，3N-介质层厚度N。

图4中：1-壳体，2-龙伯透镜反射器，3-把手，4-底盘体。

图5中：A-级联绳，1-无源雷达反射球，2-无源雷达反射球，…，n-无源雷达反射球。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

实施例1

参考图1、图2和图3，龙伯透镜反射器包括球核，第一介质球层包围在所述球核的外部，第二介质球层包围在第一介质球层的外部，依次类推，介质球层N包围在最外层。不同介质球层的介电常数不同，由球心向外逐渐减小，优选最外层的介电常数与空气相同。不同介质球层的厚度不同。

所述龙伯透镜反射器的底部设置圆弧面反射区，用以汇聚电磁波进行反射，优选为圆弧面为金属反射区。

图2是龙伯透镜反射器在水平方向最大直径截面介质层结构俯视示意图；图3是龙伯透镜反射器在竖直方向的最大直径介质层结构示意图。从图2和图3中可以看出龙伯透镜反射器在不同方向上的平面结构，在3D打印时是按平面层进行打印，每平面层介质圆不同，有多少介质层就有多少打印喷头，每喷头内装入不同介电常数介质。

实施例2

一种龙伯透镜反射器的成型方法，包括以下步骤：

s01，根据龙伯透镜反射器体的反射面积进行参数设计，所述参数设计是先确定球半径和介质球层厚度，所述介质球层包含多个不同介电常数的介质层，之后确定介质层数量和相应的介质层厚度，由靠近球心的介质层逐步外扩到最外层介质层，从而将龙伯透镜反射器体分成多个圆；

s02，将设计好的圆采用3D打印成型，一层打印完进行下一层打印；

s03，采用介质打印圆弧区域金属反射面；

s04，将介质球体与圆弧区域金属反射面拼接，获得龙伯透镜反射器。

可选的，当龙伯透镜反射器的体积较小，例如直径＜50厘米时，直接采用3D打印整个球体。当龙伯透镜反射器的体积较大时，可以打印半球，或四分之一球，然后进行拼接。

优选的，若球直径大于50厘米，可将球以球心进行分割，分割成2部分、3部分或4部分，分别按要求进行打印，然后将打印好分割结构部分进行拼接，获得龙伯透镜反射器介质球体。

实施例3

参考图4，一种无源雷达反射球，包含壳体1、龙伯透镜反射器2、把手3、底盘4，其中，壳体1中空，龙伯透镜反射器2设置在壳体1内部，底盘4固定连接在所述壳体1的底部，所述壳体1的外壁中间位置对称设置把手3，用于将雷达反射球体相互串联。

优选地，壳体1为刚性球形，龙伯透镜反射器2的质量大于所述壳体1，从而使得所述底盘4、所述壳体1和所述龙伯透镜反射器2形成不倒翁结构。

在其他实施例中，把手3还可以设置在底盘4上。

实施例4

参考图5，一种无源级联雷达反射球体假目标，由多个所述无源雷达反射球通过采用绳索A穿过把手串联组成，优选个数为6～9，相邻所述无源雷达反射球之间的间距为10～20米。

进一步的，所述无源雷达反射球的直径为1～1.5米。为使龙伯透镜有效雷达反射面积达到1000平米以上，龙伯透镜的半径至少要达到30厘米以上，考虑到目前3D打印制造设备的技术水平，龙伯透镜的直径尺寸可选在60厘米至90厘米，实际的有效雷达反射面积能达到1000平米以上。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种龙伯透镜反射器的成型方法，所述龙伯透镜反射器包括球核、包围在所述球核外部的介质球层，以及圆弧区域金属反射面，其特征在于：包括以下步骤：

s01，根据龙伯透镜反射器的反射面积进行参数设计，所述参数设计是先确定球半径和介质球层厚度，及圆弧区域金属反射面面积大小，所述介质球层包含多个不同介电常数的介质层，之后确定介质层数量和相应的介质层厚度，由靠近球心的介质层逐步外扩到最外层介质层，从而将龙伯透镜反射器体分成多个圆；

s02，若球直径小于等于50厘米，可将设计好的圆采用3D打印成型，一层打印完进行下一层打印，打印完整的龙伯透镜反射器介质球体；

若球直径大于50厘米，可将球以球心进行分割，分割成2-4部分，分别按要求进行打印，然后将打印好分割结构部分进行拼接，获得龙伯透镜反射器介质球体；

s03，采用介质打印圆弧区域金属反射面；

s04，将介质球体与圆弧区域金属反射面拼接，获得龙伯透镜反射器。

2.根据权利要求1所述龙伯透镜反射器的成型方法，其特征在于：步骤s03中，圆弧区域金属反射面打印后，对内弧面积区域抛光并在其上电镀金属，或直接金属打印，内层抛光。

3.一种无源雷达反射球，包含采用权利要求1或2所述成型方法制备得到的龙伯透镜反射器，其特征在于：还包括底盘和中空的壳体，所述底盘固定连接在所述壳体的底部，所述壳体的外壁和所述底盘分别设置把手，所述壳体的内部设置龙伯透镜反射器，所述介质球层的介电常数由球心向外逐渐减小，所述龙伯透镜反射器的底部设置反射面。

4.根据权利要求3所述无源雷达反射球，其特征在于：所述壳体为球形或者椭圆形刚性壳体，所述龙伯透镜反射器的质量大于所述壳体，从而使得所述底盘、所述壳体和所述龙伯透镜反射器形成不倒翁结构。

5.根据权利要求3所述无源雷达反射球，其特征在于：所述壳体的外壁中间位置对称设置把手，或者在所述底盘上固定连接把手。

6.根据权利要求3所述无源雷达反射球，其特征在于：所述龙伯透镜反射器中，所述介质球层包含多个不同介电常数的介质层，最外层的所述介质层的介电常数与空气相同；反射面为圆弧区域金属反射面。

7.一种无源级联雷达反射球体假目标，包含权利要求3-6任一项所述无源雷达反射球，其特征在于：所述无源级联雷达反射球体假目标由多个所述无源雷达反射球通过所述把手串联组成。

8.根据权利要求7所述无源级联雷达反射球体假目标，其特征在于：所述无源雷达反射球的个数为6～9，相邻所述无源雷达反射球之间的间距为10～20米。

9.根据权利要求8所述无源级联雷达反射球体假目标，其特征在于：所述无源雷达反射球的直径为1～1.5米，有效雷达反射面积≥1000平米。

10.根据权利要求9所述无源级联雷达反射球体假目标，其特征在于：所述无源雷达反射球中，所述龙伯透镜反射器的直径为60～90厘米。

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