NO149602B - Radarreflektor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår passive radarreflektorer og særlig, men ikke utelukkende, sådanne reflektorer for benyttelse på små båter og andre fartøyer som seiler til sjøs,

og på sjøbøyer.

Radarreflektorer er nødvendige for å forbedre de radarekkogivende flateegenskaper til objekter eller landfor-masjoner for å gjøre dem lettere å detektere ved hjelp av radaravsøkningsutstyr, særlig når forholdene er ugunstige for sådan deteksjon. For å være effektive, må alle slike reflektorer returnere de avsøkende radarbølger parallelt med den opprinnelige retning fra hvilken de ankommer, og ved mange anvendelser må de være i stand til å reflektere et signal som mottas fra hvilken som helst retning. Der hvor reflektorer er i bruk til sjøs, må denne evne opprettholdes når det skjer en krengning av den gjenstand på hvilken reflektoren er montert, f.eks. på grunn av bølgebevegelse eller vindeffekter, eller på grunn av tidevannsvirkning.

Trieder- eller hjørnereflektorer som er konstruert av tre plater av radarreflekterende materiale som er gjensidig perpendikulære, dvs. ortogonale, innadgående triedere,

er kjent å tilveiebringe refleksjon over et område av inn-fallsvinkler, idet den målte, reflekterte signalstyrke fra slike hjørnereflektorer avtar etter hvert som skjevheten øker, idet det dannes en sløyfe eller "lobe". Den "senterlinje" av en sådan triederreflektor om hvilken den optimale refleksjons-respons oppstår, danner 35° med hver av de tre plane flater som danner hjørnet. Jo større ankomstvinkel avsøkningsstrå-len danner med denne senterlinje, jo mer avtar den reflekterte energi. En opptegning av punkter med lik refleksjonssig-nalenergi frembringer en konusliknende form med en avrundet basis. Denne konus er kjent å ha en heksagonal eller sekskantet form hvis sider svarer til de tre plane flater som danner hjørnet og disses skjæringspunkter. Vinkelen for den konus som måles fra punktet med maksimal refleksjon til punkter med en energi som ligger 6 dB lavere enn den som måles ved maksimumspunktet, er en romvinkel på ca. 36°, og dette er den effektive dekning fra slike hjørner hvis respons avtar raskt for å bli ineffektiv over de neste få grader med divergens.

Oppførselen til et inn^dgående triederhjørne står

i direkte forhold til radartverrsnittsarealet, og et hjørne som har alle tre sider likt fremvist for avsøkningsstrålen, kan betraktes som om det fremviser et sekskantet areal av hvilket tre sider svarer til de tre plane flater som danner hjørnet, idet de andre tre sider står normalt på linjene som skjærer de tre flater.

Refleksjonsegenskapene til slike innadgående trie-derhjørner har vært kjent og benyttet i mange år på sjøgående fartøyer og sjøbøyer etc. i et forsøk på å tilveiebringe en effektiv radarrespons over 360 grader asimut. Spesielt har den "oktaedriske reflektor" vært i vanlig bruk.

Denne reflektor omfatter normalt tre metallplater som er sammenstilt for å danne åtte ortogonale triederhjørner. For å returnere sin beste asimut-respons, må denne type reflektor opphenges i en såkalt "vannsamler"-stilling med ett hjørne rettet vertikalt oppover og et motsatt hjørne rettet vertikalt nedover, idet resten av hjørnene er rettet utover rundt vertikalaksen i vinkler som ligger vekselvis over og under horisontalen med sin optimale refleksjonslinje 18° over eller under horisontalen. Plassert på et bord inntar en okta-edrisk reflektor "vannsamler"-stillingen.

Det vil lett innses at med bare seks hjørner som hvert har en "sløyfediameter" på ca. 36° som er skråttstilt over og under horisontalen med mer enn 18°, vil det være be-tydelige hull eller avbrytelser i refleksjonsevnen til denne konstruksjon, idet refleksjonen forsvinner fullstendig i vis-se retninger når den påvirkes av noen få grader med krengning.

Det finnes andre konstruksjoner som benytter individuelt konstruerte hjørnereflektorer på et felles plan som er plassert med sine refleksjonsflater rettet utover sirku-lært rundt en sentral akse. Disses konstruksjon og vekt og den nødvendige hjørnestørrelse hindrer anvendelse av disse på små fartøyer og bøyer.

En brettet metallkonstruksjon som er kjent som AGA-reflektoren (GB-PS 681 666), søker å overvinne ulempene med de foran nevnte konstruksjoner ved å tilveiebringe et stort antall reflekterende hjørner eller triederreflektorer langs en<*>eneste hovedakse, slik at triederreflektorene er rettet utover og rundt aksen, idet de andre åtte av triederreflektorene eir dannet i par av V-f orm-ref lektorer som er oppdelt av en skilledel, idet parene er innbyrdes forskjøvet langs hovedaksen. Denne konstruksjon benytter atten hjørner som, på grunn av antallet og anbringelsen rundt aksen, forårsaker gjensidig forstyrrelse mellom de mange refleksjoner som retur-neres av de mange elementer som konstruksjonen består av, hvilket fører til en total ytelse som er blitt funnet uaksep-tabel i bruk.

Problemet med tilveiebringelse av en symmetrisk respons til asimut ble overvunnet ved hjelp av den konstruksjon som er beskrevet i norsk patent nr. 147 577, ved å an-ordne toplans- eller V-form-bretter slik at ti hjørnereflek-torer anbringes langs to suksessive og motsatt snodde skrue-linjeakser (høyresnodd og venstresnodd), slik at responslo-bene eller responssløyfene fordeles uten overlapping eller mellomrom ved å benytte fem hjørner på hver akse. Dette arrangement har resultert i en utmerket, målt polarrespons med forsterkninger som skriver seg fra glimt, slik at det tilveiebringes en total ytelse som er overlegen i forhold til tidligere kjente konstruksjoner og som er blitt funnet å være meget effektiv i bruk til sjøs på små fartøyer.

De refleksjonssløyfer som er relatert til ovennevn-te konstruksjon, er imidlertid skråttstilt over og under horisontalen i vinkler som er større enn ønsket, og V-form-områdene er mye mindre effektive enn dersom brettene hadde en mindre helling.

Formålet med oppfinnelsen er å redusere disse virk-ninger og å tilveiebringe øket effektivitet uten tap av den nødvendige, totale asimutdekning som kreves av de maritime myndigheter. Samtidig er det et formål å tilveiebringe en radarreflektor som overvinner manglene ved de øvrige kjente og foran omtalte reflektorer.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en radarreflektor som har en hovedakse og omfatter ti triederreflektorer som er rettet utover fra hovedaksen, idet de indre åtte av triederreflektorene er dannet i par av V-form-reflektorer som er oppdelt av en skilledel, idet parene er innbyrdes for-skjøvet langs hovedaksen, og som ifølge oppfinnelsen er kjenne-tegnet ved at projeksjonene på et plan normalt på hovedaksen av toppunktene av de to sentrale V-form-reflektorer er innbyrdes forskjøvet en vinkel a, at projeksjonene på det nevnte plan av toppunktene av V-form-reflektorene på hver side av de sentrale reflektorer hver er forskjøvet en vinkel som er forskjellig fra a i forhold til projeksjonen på det nevnte plan av det nærmeste toppunkt av en sentral reflektor, at de relative vinkelforskyvninger av projeksjonene, når toppunktene betraktes i rekkefølge fra den ene ende av hovedaksen til den andre, ligger i samme rotasjonsretning for hvert suksessivt par av tilstøtende toppunkter, og at reflektorene dekker hele asimut på 360° og asimutavstanden mellom hvilke som helst av to tilstøtende projeksjoner av triederreflektorenes sentrale refleksjonsakser på et plan normalt på hovedaksen ligger i området fra 25° til 45°.

Ved å benytte den angitte vinkelavstand vil reflektoren oppfylle ytelseskravene til det britiske handelsdepartements "Marine Radar Reflector Performance Specification" av april 1977 og sikre at mellomrommet mellom effektive reflek-sjonssløyfer fra tilstøtende triederreflektorer eller hjørner ikke overskrider 10° og ingen overdreven overlapping opptrer.

Projeksjonene på det nevnte plan av toppunktene av V-form-reflektorene på hver side av de sentrale reflektorer er fortrinnsvis forskjøvet den samme vinkel b i forhold til projeksjonen på det nevnte plan av det nærmeste toppunkt av en sentral reflektor. I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen ligger vinkelen a i området 10 - 20°, og summen av vinkelen a og det dobbelte av vinkelen b ligger i området 68 - 73°.

I radarreflektoren ifølge oppfinnelsen er antall

•triederreflektorer eller hjørner redusert til ti som dekker 360° asimut med konstant anbringelse av hjørnene for å unngå tomrom i respons mellom tilstøtende lober eller sløyfer, og overlapping av sløyfer slik at den totale ytelse ikke påvirkes alvorlig av bølqebane-faseutstrykninger. I reflektorkonstruk-sjonen ifølge oppfinnelsen ■ utnyttes også de fordeler som kan

oppnås ut fra de refleksjoner som skriver seg fra to plater i rett vinkel med hverandre, mens .det areal som ligger utenfor den heksagonale respons og skjæringspunktene mellom de inngå-ende sider av et standardhjørne, kasseres.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et sideriss av en radarreflektor som er konstruert i overensstemmelse med oppfinnelsen og som er opphengt i en mastbardun med liner til relingene, fig. 2 viser et skjematisk grunnriss av reflektoren på fig. 1 vist inne i et rørformet hus, fig. 3 illustrerer skjematisk ret-ningsegenskapene til hvert reflekterende element i arrangementet på fig. 1, fig. 4 viser en emnestrimmel av metall for bøy-ning for å danne reflektoren på fig. 1 og 2, og fig. 5a - 5g viser geometriske, skjematiske illustrasjoner av deler av et toplans- eller V-form-reflektorparti som er nyttig ved utledning av fremstillingsvinkler i overensstemmelse med en mate-matisk utledning.

Radarreflektoren som er generelt betegnet med 10 på fig. 1, er dannet av en strimmel av radarreflekterende materiale, f.eks. en 18 S.W.G.-plate (Standard Wire Gauge) av alu-minium eller rustfritt stål. Strimmelen er brettet langs akser som strekker seg på tvers over strimmelen i konsertina-form. Brettene deler strimmelen i en rekke deler eller seksjoner 11, 12, 13 og 14 av hvilke innbyrdes tilgrensende seksjoner er anbrakt i rett vinkel på hverandre.

En flat strimmel som er egnet for bretting for å danne seksjonene, er vist på fig. 4. De strektegnede linjer angir akser ved hvilke bretten skal være forover, og de strek-prikkede linjer angir akser ved hvilke bretten skal være bakover. De bretter som avgrenser den sentrale seksjon 12, er skråttstilt i en fremstillingsvinkel a<1> som er frembrakt fra en grunnrissvinkel a. De to seksjoner 11 nær den sentrale seksjon 12 er avgrenset av bretter som er skråttstilt i en fremstillingsvinkel b' som er forskjellig fra fremstillingsvinkelen for den sentrale seksjon og som er frembrakt fra

. grunnrissvinkler b. De. to seksjoner 13 nær disse sistnevnte seksjoner 11 er avgrenset av bretter som er parallelle. Ende-

seksjonene 14 likner seksjonene•11 bortsett fra at en del er bortskåret på den ene side av en akse som strekker seg i rett vinkel på bretten nær seksjonen 13.

Den brettede strimmel danner en rygg (engelsk: spine) med syv deler eller seksjoner av hvilke tilstøtende seksjoner er anbrakt i rett vinkel med hverandre. Hvert par av tilstøtende flater av seksjoner er forsynt med en metall-plate-skilledel 15 som er festet til seksjonene ved hjelp av for eksempel nagling eller sveising i rett vinkel med begge flater for å danne to hjørnereflektorer i form av ortogonale, innadgående triedere som er i stand til å virke som elementær-reflektorer.

Radarreflektoren kan opphenges i den ene eller den andre ende fra et punkt nær den akse ved hvilken endeseksjo-nen er bortskåret, som vist på fig. 1. Reflektoren henger normalt ved sin egen vekt med seksjonenes overflater hellende vekselvis i en vinkel på ca. 45° med horisontalen. I stedet for montering på en mastbardun kan reflektoren monteres i hvilken som helst annen passende stilling, f.eks. oppheist til tverrsalingen på en mast.

Den maksimale refleksjonsevne for en hjørnereflektor opptrer langs en akse som strekker seg likevinklet mellom hjørnets overflater, og denne akse kan benevnes som reflektorens retningsakse. Når reflektoren er opphengt slik som foran beskrevet, er retningsaksen hellende over eller under horisontalen med en konstant vinkel. Slik som allerede nevnt, faller en hjørnereflektors respons raskt utenfor en romvinkel på 36° sentrert på en retningsakse. Ved nøyaktig anbringelse av bretteaksene kan hjørnene anordnes slik at de dekker hele asimutvinkelen på 360° med ubetydelige mellomrom mellom de tilstøtende (36-graders) refleksjonssløyferesponser av hjørne-ref lektorene . For å tilveiebringe en tilfredsstillende ytelse, bør disse mellomrom ikke overskride 9°, og for å hindre responsforringelse bør overlapping mellom tilstøtende (36-graders) refleksjonssløyfer ikke være for stor. Fig. 3 viser én mulig vinkelplassering av bretteaksene som oppnår dette formål. Tegningen viser projeksjonen av reflektorens bretteakser på et horisontalplan, og det vil innses at disse bretteakser er dannet på seksjoner som i virkeligheten er skråttstilt ca. 45° i forhold til horisontalen.

Fig. 3 viser én mulig konstruksjon i hvilken projeksjonsvinkelen a mellom senterseksjonens 12 bretteakser er 20°, mens projeksjonsvinkelen b mellom de tilstøtende seksjo-ners bretteakser er 25°. Sentrene for refleksjon fra hjørner er angitt med en sirkel, idet de ikke-skraverte sirkler angir refleksjoner fra den ene side av ryggen, og de skraverte sirkler angir refleksjoner fra den andre side av ryggen. Tallene overfor disse sirkler angir den brettelinje til hvilken hjør-net er knyttet, idet brettelinjene er nummerert som på fig. 1. De er også betegnet venstre (L) eller høyre (R) avhengig av om de opptrer til høyre eller til venstre for skilleplaten 15 når de betraktes i en utadgående retning.

Reflektoren frembringer også toplans-refleksjoner i rett vinkel med hver av brettelinjene som følge av refleksjon fra tilstøtende seksjoner. Disse toplans-refleksjoner er angitt med skraverte eller ikke-skraverte rektangler og har for identifisering nummeret til den brett som de er knyttet til.

Det maksimale mellomrom mellom sentrene for trieder-responser opptrer mellom 5R og 3R og 4L og 2L og er 4 5°. Dette betyr at det mellom disse lober eller sløyfer opptrer et mellomrom på (45° - 36°) = 9°.

Det minimale mellomrom mellom sentrene for trieder-responser opptrer mellom 2R og 4L og 3R og 5L og er 25°, hvilket betyr at det opptrer et mellomrom på (36° - 25°) = 11°.

Diagrammene på fig. 5a - 5g er nyttige ved omforming av projiserte vinkler a og b til fremstillingsvinkler a' og b' som vist på strimmelen på fig. 4.

Formelen skal vise sammenhengen mellom vinklene på platene og vinklene slik de fremstår i grunnriss.

Den på fig. 4 viste plate brettes i vinkler på 90° vekselvis forover og bakover som vist på fig. 5a, slik at hvert parti av platen danner 45° med horisontalen. Brettene er skråttstilt i en vinkel på a med horisontalen i en retning på tvers av platens overflate, slik det kan innses ut fra grunnrisset på fig. 5b. Fig. 5c viser skjematisk linjer som er projisert fra to tilstøtende bretter på plan av hvilke det ene er horisontalt og det andre vertikalt, og hvorav det fremgår at vinkelen CAO er konstruksjonsgrunnrissvinkelen 0, og at pla-net ABO er skråttstilt i en vinkel på 45° med horisontalen. Brettenes konvergens i grunnriss er derfor lik deres konvergens i oppriss (CAB = CAO).

Linjer OC og CB står vinkelrett på en linje AC. Linjen AC danner like vinkler med brettelinjene AB og AO.

Linjen AC som halverer den vinkel som dannes av brettelinjene, kan være skråttstilt i en vinkel med horisontalen. Alle beregninger er blitt utført ut fra den antagelse at hellings-vinkelen vil ha ubetydelig innvirkning.

Idet man legger merke til sammenhengen mellom de rettvinklede trekanter OCB, ACB og ACO på fig. 5d, 5e og 5f, kan det innses at hypotenusen i hver av disse danner de like-benede trekanter på fig. 5g.

En formel for beregning av fremstillingsvinkelen x kan utledes som følger:

Av fig. 5e:

Av fig. 5g:

Av fig. 5f:

Ved innsetting av (3) i (2) fås:

Man får derfor: Det kan vises at på fig. 5g er

og denne formel kan benyttes som et alternativ for beregning av fremstillingsvinklene.

Det finnes et område av vinkler som vil sikre at hele 360° asimut dekkes uten noe mellomrom mellom sløyfer som overskrider 9° med en overlapping på mindre enn 11°. Noen alternative konstruksjoner som er utledet ved benyttelse av den foran angitte formel, er vist nedenfor, men listen er på ingen måte uttømmende.

En undersøkelse av ovenstående tabell viser at når vinkelen a ligger i området 10 - 18° og summen av vinkelen a og det dobbelte av vinkelen b ligger i området 6 8 - 7 3°, opptrer det ikke noe mellomrom som overskrider 9°, og det opptrer en overlapping som er mindre enn 11°. Beregningene er utført ut fra den antagelse at brettelinjene er horisontale, mens de i praksis er skråttstilt vekselvis over og under horisontalen med en vinkel på ca. 10°. Dette kan kreve en liten kompensasjon av fremstillingsvinkelen. Forutsatt at vinkelen a ligger i området 19 - 20° og summen av vinkelen a og det dobbelte av vinkelen b ligger i området 68 - 73°, blir det i praksis oppnådd tilfredsstillende ytelse.

Det er mulig å redusere eller eliminere et mellomrom som kan opptre mellom IL og 6R ved at de brettelinjer som avgrenser seksjonene 13, ikke gjøres helt parallelle.

Den beskrevne konstruksjon er særlig fordelaktig ved at retningsaksene for de individuelle triederes reflek-sjonssløyfer ligger nær horisontalen, hvilket gir reflektoren en mer effektiv vertikal-respons. Det antas at den beskrevne konstruksjon fullt ut tilfredsstiller de strenge ytelseskrav som er angitt i det britiske handelsdepartements "Marine Radar Reflector Performance Specification 1977". Da respon-sen for vertikalplanet også er meget god, oppnår man spesielt at vertikalvinkelresponsen, som er så viktig for marin anvendelse, overskrider det eksisterende krav at vertikaldekningen skal være - 15° i forhold til horisontalen samtidig som den ikke faller under -6 dB i forhold til den fordrede 10 m 2-verdi over hvilken som helst enkeltstående vinkel på mer enn 1,5°. Praktiske målingsprøver har vist at den ønskede respons fremdeles er blitt oppnådd med vinkler i forhold til horisontalen på opp til - 30°.

Det er blitt oppnådd polardiagrammer som viser at både asimut- og vertikaldekning er forbedret, idet det totalt sett oppnås en målt respons som er åtte ganger den teoretis-ke respons fra et eneste triederhjørne av samme størrelse som det som inngår i konstruksjonen, idet det også oppstår topper som ligger vesentlig over dette nivå.

Selv om ryggen og skilledelen i den beskrevne reflektor er dannet av en eneste materialplate, er oppfinnelsen ikke begrenset til en sådan konstruksjon, og hvilket som helst annet passende, radarreflekterende materiale kan benyttes. For eksempel kan hele konstruksjonen støpes av hvilket som helst passende materiale som er radarreflekterende, f.eks. ved sprøytestøpning. En sådan støpning kunne utføres ved benyttelse av et plastmateriale som inneholder partikler av radarreflekterende materiale, slik at disse partikler innstø-pes i den støpte reflektor. En annen mulighet er tilveie-bringelsen av overflatebelegg av radarreflekterende materiale på en støpt konstruksjon, f.eks. ved metallplettering eller metallovertrekking. En annen mulighet er at reflektoren kunne være oppbygget av modifiserte toplans- eller V-form-reflektorer som er montert individuelt på en stang eller et rør, eller den kan bestå av bokshjørner med ytterkanter som er blitt formet for å anta den ønskede konfigurasjon inne i et rør.

Et annet særlig fordelaktig materiale som reflektoren kan fremstilles av, er en metalltrådplate eller en glass-forsterket plastplate med en tråd- eller maskefylling. Me-talltrådplater har i noen tilfeller vist seg å gi overlegen ytelse i forhold til vanlige metallplater, men grunnen til dette er ikke fullt ut forstått.

Claims (7)

1. Radarreflektor med en hovedakse og omfattende ti triederreflektorer som er rettet utover fra hovedaksen, idet de indre åtte av triederreflektorene er dannet i par av V-form-reflektorer (11/12, 11/13) som er oppdelt av en skilledel (15), idet parene er innbyrdes forskjøvet langs hovedaksen, karakterisert ved at projeksjonene på et plan normalt på hovedaksen av toppunktene (3, 4) av de to sentrale V-form-reflektorer (11/12) er innbyrdes forskjøvet en vinkel a, at projeksjonene på det nevnte plan av toppunktene (2, 5) av V-form-reflektorene (11/13) på hver side av de sentrale reflektorer hver er forskjøvet en vinkel som er forskjellig fra a i forhold til projeksjonen på det nevnte plan av det nærmeste toppunkt (3, 4) av en sentral reflektor, at de relative vinkelforskyvninger av projeksjonene, når topp-punktene betraktes i rekkefølge fra den ene ende av hovedaksen til den andre, ligger i samme rotasjonsretning for hvert suksessivt par av tilstøtende toppunkter, og at reflektorene dekker hele asimut på 360° og asimutavstanden mellom hvilke som helst av to tilstøtende projeksjoner av triederreflektorenes sentrale refleksjonsakser på et plan normalt på hovedaksen ligger i området fra 25° til 45°.

2. Radarreflektor ifølge krav 1, karakterisert ved at projeksjonene på det nevnte plan av toppunktene (2, 5) av V-form-reflektorene på hver side av de sentrale reflektorer er forskjøvet den samme vinkel b i forhold til projeksjonen på det nevnte plan av det nærmeste toppunkt (3, 4) av en sentral reflektor.

3. Radarreflektor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vinkelen a ligger i området 10 - 20°, og summen av vinkelen a og det dobbelte av vinkelen b ligger i området 68 - 73°.

4. Radarreflektor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at V-form-parene er dannet av en eneste strimmel av et radarreflekterende materiale som er brettet vekselvis forover og bakover i rett vinkel langs bretteakser som er innbyrdes adskilt på og strekker seg på tvers av strimmelen.

5. Radarreflektor ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at den er en støpt konstruksjon.

6. Radarreflektor ifølge krav 5, karakterisert ved at reflektoren er støpt av et materiale som inneholder partikler av et radarreflekterende materiale.

7. Radarreflektor ifølge krav 5, karakt-e ti-se r t ved at den støpte konstruksjon har reflektorer som er dannet av overflatebelegg av radarreflekterende materiale.