RU2168818C1

RU2168818C1 - Combined radio and acoustic antenna

Info

Publication number: RU2168818C1
Application number: RU99123269/09A
Authority: RU
Inventors: нов Ю.Н. Уль; Ю.Н. Ульянов; В.И. Ветров; В.С. Скворцов; С.В. Бутакова
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Лантан"
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: meteorological equipment for atmospheric sounding, in particular, devices for determining the main meteorological quantities in the boundary atmospheric layer, applicable in the interests of the aircraft take-off and landing safety service. SUBSTANCE: a radioacoustic feed in the form of a section of a metal rectangular waveguide with a cross-section, whose dimensions provide for propagation of the first electromagnetic mode is installed in the combined radioacoustic feed in the focus of the parabolic mirror, an electroacoustic transducer with an acoustic matching device is inserted on the side of one end in the waveguide section, cross metal grid and a coaxial-waveguide junction matched for electromagnetic oscillations, the second end of the waveguide section is connected to the throat of the pyramidal metal horn, the parabolic mirror is provided with an outside expanding metal barrel of broken profile, having a soundradioabsorbing inner coating, the excess of the barrel longitudinal dimension over the first end of the waveguide section makes up a value of not less than the mirror diameter. EFFECT: reduced level of lateral radiation at reception of electromagnetic and acoustic waves. 2 dwg

Description

Изобретение относится к метеорологической технике зондирования атмосферы, а именно к устройствам для определения основных метеовеличин в пограничном слое атмосферы, и может быть использовано в интересах службы безопасности взлета и посадки самолетов. The invention relates to a meteorological technique for sensing the atmosphere, and in particular to devices for determining the main meteorological values in the boundary layer of the atmosphere, and can be used in the interests of the security service for takeoff and landing of aircraft.

Известна комбинированная радио- и акустическая антенна в виде фазированной антенной решетки, стационарно расположенной на поверхности земли. В антенной решетке акустические излучатели чередуются с микрополосковыми вибраторами. [1. Wolfe D.E., Lataitis R.J., Weber B.L, etc. Design and preliminary field test of a combined RF/acoustic phased-array antenna for profiler operations // Cost-76 Profiler Workshop 1997/ Extended Abstracts in 2 vol. May, 12, 1997. Engelberg, Swetzerlond. P. 151-154.]. Known combined radio and acoustic antenna in the form of a phased array antenna, stationary located on the surface of the earth. In the antenna array, acoustic emitters alternate with microstrip vibrators. [1. Wolfe D.E., Lataitis R.J., Weber B.L, etc. Design and preliminary field test of a combined RF / acoustic phased-array antenna for profiler operations // Cost-76 Profiler Workshop 1997 / Extended Abstracts in 2 vol. May 12, 1997. Engelberg, Swetzerlond. P. 151-154.].

Устройство-аналог предназначено для зондирования под углами, близкими к зенитному (отклонение не более 5^o), при которых невозможна компенсация выноса звукового пакета ветром из диаграммы направленности радиолокатора. Компенсация возможна при наклонном зондировании по и против ветра под углами места Θ близкими к 45^o [2. Takahashi K., Masuda Y., Matuura N., etc. Analysis of acoustic wave fronts in the atmosphere to profile the temperature and wind with a radio acoustic sounding system. // J. Acoust. Soc. Am. Vol. 84 (3), Sept. 1988, 1061-1066] . Назовем такое зондирование "адаптивное наклонное зондирование".The analog device is designed for sounding at angles close to the zenith (deviation of not more than 5 ^o ), at which it is impossible to compensate for the removal of the sound packet by the wind from the radar radiation pattern. Compensation is possible with oblique sounding in and against the wind at elevation angles Θ close to 45 ^o [2. Takahashi K., Masuda Y., Matuura N., etc. Analysis of acoustic wave fronts in the atmosphere to profile the temperature and wind with a radio acoustic sounding system. // J. Acoust. Soc. Am. Vol. 84 (3), Sept. 1988, 1061-1066]. We call this sounding "adaptive oblique sounding."

Известное устройство обладает следующими недостатками:
1. При зондировании под углами, близкими к вертикальному, горизонтальный ветер выносит акустический пакет из радиолокационной диаграммы направленности антенны, что ограничивает высоту зондирования.The known device has the following disadvantages:
1. When sounding at angles close to vertical, the horizontal wind removes the acoustic packet from the radar antenna pattern, which limits the height of the sounding.

2. Фазированная антенная решетка имеет относительно большой уровень боковых лепестков, который увеличивается при наклонном зондировании. 2. Phased array antenna has a relatively large level of side lobes, which increases with oblique sounding.

3. При адаптивном наклонном зондировании расширяется главный лепесток диаграммы направленности, что ухудшает энергетические параметры зондирования. 3. With adaptive oblique sensing, the main lobe of the radiation pattern expands, which affects the energy parameters of sounding.

Таким образом, устройство-аналог не может применяться в аэропорту, так как не обеспечивает устойчивой высоты зондирования, создает помехи и само воспринимает посторонние излучения по боковым лепесткам (по приземной волне), устройство может эксплуатироваться только при отсутствии осадков. Thus, the analog device cannot be used at the airport, since it does not provide a stable sensing height, creates interference and itself perceives extraneous radiation along the side lobes (along the surface wave), the device can only be operated in the absence of precipitation.

Наиболее близкой к заявляемой по совокупности признаков является комбинированная радио- и акустическая антенна моностатического радара EMAC (electromagnetic-acoustical), расположенная на поверхности земли. [3. Каллистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука. 1985. 197 с., рис. 1.8, с. 16-18], содержащая источник акустических волн и согласованный вход для подключения доплеровского радиолокатора. В антенне EMAC параболическое зеркало облучается независимо звуковыми и радиоволнами, причем оси максимума диаграмм направленности акустического и радиоизлучения совпадают. Антенна EMAC путем механического сканирования может быть ориентирована под любым углом к горизонту. Closest to the claimed combination of features is a combined radio and acoustic antenna of a monostatic radar EMAC (electromagnetic-acoustical), located on the surface of the earth. [3. Kallistratova M.A., Kon A.I. Radio sounding of the atmosphere. M .: Science. 1985.1974 p. 1.8, p. 16-18], containing a source of acoustic waves and a matched input for connecting a Doppler radar. In an EMAC antenna, a parabolic mirror is irradiated independently by sound and radio waves, with the axes of the maximum of the directivity patterns of acoustic and radio emission coinciding. The EMAC antenna by mechanical scanning can be oriented at any angle to the horizon.

Для электромагнитных волн антенна EMAC является антенной типа Кассегрена: электромагнитный рупор находится позади основного параболического металлического зеркала и через отверстие в последнем создает электромагнитные волны в пространстве между основным зеркалом и вспомогательным отражателем гиперболического профиля, выполненным из металлической сетки. Электромагнитные волны отражаются от гиперболического зеркала на основное, которое формирует карандашный луч в дальней зоне. Антенна является взаимной, а потому пришедшее извне электромагнитное излучение обратным путем попадает в электромагнитный рупор. Для акустических волн антенна EMAC является однозеркальной параболической антенной: источник звука расположен на оптической оси основного зеркала, причем сетчатое гиперболическое зеркало находится между акустическим излучателем и основным зеркалом; гиперболическое зеркало прозрачно для акустических волн. Таким образом, антенна-прототип имеет два облучателя, электромагнитный и акустический, расположенные по обе стороны основного зеркала. Поскольку при радиоакустическом зондировании должно выполняться условие Брэгга [3] λ_s = λ_e/2, где λ_s, λ_e - длины акустической и электромагнитной волн в воздухе, главный лепесток акустической диаграммы направленности описанной антенны оказывается уже, чем главный лепесток электромагнитной диаграммы направленности, первый "вложен" во второй.For electromagnetic waves, the EMAC antenna is a Cassegrain type antenna: the electromagnetic horn is located behind the main parabolic metal mirror and through the hole in the latter creates electromagnetic waves in the space between the main mirror and the auxiliary hyperbolic reflector made of metal mesh. Electromagnetic waves are reflected from the hyperbolic mirror to the main one, which forms a pencil beam in the far zone. The antenna is reciprocal, and therefore the electromagnetic radiation that has arrived from the outside returns to the electromagnetic horn in the opposite way. For acoustic waves, the EMAC antenna is a single-mirror parabolic antenna: the sound source is located on the optical axis of the main mirror, the net hyperbolic mirror being between the acoustic emitter and the main mirror; hyperbolic mirror is transparent to acoustic waves. Thus, the prototype antenna has two irradiators, electromagnetic and acoustic, located on both sides of the main mirror. Since the Bragg condition [3] λ _s = λ _e / 2, where λ _s , λ _e are the lengths of the acoustic and electromagnetic waves in the air, the main lobe of the acoustic radiation pattern of the described antenna turns out to be narrower than the main lobe of the electromagnetic radiation pattern because of radio acoustic sounding , the first is "embedded" in the second.

Устройство-прототип обладает следующими недостатками:
1. Комбинированная антенна EMAC имеет характерный для антенн Кассегрена и однозеркальных параболических антенн значительный уровень боковых лепестков, обусловленный дифракцией волн на краях зеркала, переливом за края зеркала энергии волн, затенением основного зеркала вспомогательным, рассеянием на держателях последнего и на акустическом излучателе (не ниже -(15 - 16) дБ) для электромагнитной диаграммы направленности [4. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь, 1983, 272 с., с. 47] и не ниже -(10-15) дБ для акустической [5. Hall F.F. and Wescott J.W. Acoustic antennas for atmospheric echo sounding // J. Acoustic Soc. Am., 1974, v. 56, N 5, p. 1376-1382]. Антенны Кассегрена имеют дополнительные дифракционные потери вследствие отражения кромки вспомогательного зеркала. Если в облучателе не приняты специальные меры по уменьшению уровня облучения этой кромки, потери могут быть довольно заметными. [6. Коган Б.Л. Асимптотическая оценка дифракционных потерь двухзеркальной антенны Кассегрена при низком уровне облучения края контррефлектора // Антенны. М. : Изд. предприятие редакции журнала "Радиотехника", 1998. - Вып. 2 (41). С. 23-30].The prototype device has the following disadvantages:
1. The combined EMAC antenna has a significant level of side lobes, characteristic of Cassegrain antennas and single-mirror parabolic antennas, due to wave diffraction at the edges of the mirror, overflow of wave energy over the edges of the mirror, secondary shadowing of the main mirror, scattering on the holders of the latter and on the acoustic emitter (not lower - (15 - 16) dB) for the electromagnetic radiation pattern [4. Yampolsky V.G., Frolov O.P. Antennas and EMC. M .: Radio and communication, 1983, 272 p., P. 47] and not lower - (10-15) dB for acoustic [5. Hall FF and Wescott JW Acoustic antennas for atmospheric echo sounding // J. Acoustic Soc. Am., 1974, v. 56, N 5, p. 1376-1382]. Cassegrain antennas have additional diffraction losses due to reflection of the edge of the auxiliary mirror. If special measures are not taken in the irradiator to reduce the level of irradiation of this edge, the losses can be quite noticeable. [6. Kogan B.L. Asymptotic estimation of diffraction loss of a Cassegrain two-mirror antenna with a low level of irradiation of the edge of the counter-reflector // Antennas. M.: Publ. Enterprise editorial office of the journal "Radio Engineering", 1998. - Vol. 2 (41). S. 23-30].

2. Посторонние мощные акустические источники, находящиеся в аэропорту, возбуждают элементы конструкции антенны EMAC, что модулирует излучаемые и принимаемые электромагнитные сигналы и затрудняет определение доплеровского сдвига частоты в принятом электромагнитном сигнале. При этом с наибольшей амплитудой вибрируют самые легкие элементы конструкции - решетчатое малое зеркало, держатели. Типичный шум современного турбореактивного двухконтурного двигателя на самолетах типа Ту-154, Ил-62, Ил-76 и др. вблизи от него превышает уровень 140 дБ, перекрывая спектральную рабочую область акустического канала систем радиоакустического зондирования [7. Гольдстейн М.Ф. Аэроакустика, М.: Мир, 1980, 294 c.]. 2. Extraneous powerful acoustic sources located at the airport excite the EMAC antenna structural elements, which modulates the emitted and received electromagnetic signals and makes it difficult to determine the Doppler frequency shift in the received electromagnetic signal. At the same time, the lightest structural elements — lattice small mirrors and holders — vibrate with the greatest amplitude. The typical noise of a modern turbojet dual-circuit engine on aircraft such as Tu-154, Il-62, Il-76, and others near it exceeds the level of 140 dB, blocking the spectral working area of the acoustic channel of radio-acoustic sounding systems [7. Goldstein M.F. Aeroacoustics, Moscow: Mir, 1980, 294 p.].

При наличии реакции гиперболического зеркала на электромагнитный облучатель можно скомпенсировать в фидере облучателя волну, отраженную от неподвижного зеркала. Если зеркало вибрирует, возникает амплитудная модуляция отраженного в фидер сигнала, которая влияет на спектр несущей излучаемых электромагнитных импульсов. In the presence of a hyperbolic mirror reaction to an electromagnetic irradiator, it is possible to compensate for the wave reflected from the fixed mirror in the feed of the irradiator. If the mirror vibrates, there is an amplitude modulation of the signal reflected in the feeder, which affects the carrier spectrum of the emitted electromagnetic pulses.

Отраженный электромагнитный эхо-сигнал имеет доплеровский сдвиг несущей частоты f_д = 2c_s/λ_e ≈2•340/0,24 = 2833 Гц = 2,266•10^-6f, где f = c_e/λ_e = 1,25 ГГц - несущая частота излученного радиоимпульса. Колебания сетчатого зеркала могут быть порядка 1-2 мм (давление воздуха ≈1 Па), что соответствует допустимым колебаниям в обычном динамике. При длине электромагнитной волны λ_e = 0,24 м колебания сетки в 1 мм соответствуют ≈4•10^-3 λ_e, т.е. несущая частота излученного радиоимпульса получает сдвиг, значительно больший, чем измеряемый доплеровский сдвиг.The reflected electromagnetic echo has a Doppler shift of the carrier frequency f _d = 2c _s / λ _e ≈2 • 340 / 0.24 = 2833 Hz = 2.266 • 10 ^-6 f, where f = c _e / λ _e = 1.25 GHz - carrier frequency of the emitted radio pulse. The oscillations of the mesh mirror can be of the order of 1-2 mm (air pressure ≈1 Pa), which corresponds to the permissible fluctuations in normal dynamics. When the electromagnetic wavelength λ _e = 0.24 m, the mesh vibrations of 1 mm correspond to ≈4 • 10 ^-3 λ _e , i.e. the carrier frequency of the emitted radio pulse receives a shift significantly greater than the measured Doppler shift.

3. Антенна EMAC непригодна для акустического зондирования, так как сетчатое зеркало будет вибрировать при подаче акустического сигнала некоторое время после его прохождения, когда начинают приходить акустические эхо-сигналы (большое время реверберации сетки). Это препятствует получению данных акустического зондирования в нижней части рабочего интервала высот. 3. The EMAC antenna is unsuitable for acoustic sensing, since the mesh mirror will vibrate when the acoustic signal is applied for some time after it passes, when acoustic echo signals begin to arrive (long grid reverberation time). This prevents the acquisition of acoustic sounding data in the lower part of the working height range.

Таким образом, устройство-прототип не может применяться в аэропорту, так как не обеспечивает нахождения характеристик поля ветра и микровзрывных потоков, создает помехи аэродромным радиотехническим средствам и само воспринимает посторонние излучения. Thus, the prototype device cannot be used at the airport, since it does not provide for finding the characteristics of the wind field and microexplosive flows, creates interference with aerodrome radio equipment and perceives extraneous radiation itself.

Согласно требованиям ICAO для обеспечения безаварийных взлета и посадки самолетов значения горизонтального ветра должны регистрироваться на конкретных высотах (2, 30, 60, 90, ... м). [8. Специализированное совещание по всепогодным полетам. DOC9242, AWO/78. - Монреаль: Изд. ИКАО. 1978. 180 с.] Технические средства определения ветровых характеристик в зоне аэродрома должны производить измерение направления ветра, осредненного за 1 мин, в диапазоне 0-360^o с погрешностью ±8^o [9. Требования к метеооборудованию, предназначенному для получения метеоинформации, необходимой при обеспечении взлета и посадки воздушных судов на аэродромах ГА.// Труды ГГО. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. Т. 523. С. 2-25.].According to ICAO requirements, to ensure accident-free take-off and landing of aircraft, horizontal wind values must be recorded at specific altitudes (2, 30, 60, 90, ... m). [8. All-weather specialized meeting. DOC9242, AWO / 78. - Montreal: Ed. ICAO. 1978. 180 S.] Technical means of determining wind characteristics in the area of the airfield should measure the direction of the wind, averaged over 1 min, in the range of 0-360 ^o with an error of ± 8 ^o [9. Requirements for meteorological equipment designed to obtain meteorological information necessary to ensure takeoff and landing of aircraft at GA aerodromes. // Proceedings of the State Civil Defense Organization. L .: Gidrometeoizdat, 1989.V. 523. S. 2-25.].

В основу изобретения поставлена задача создания комбинированной радио- и акустической антенны с низким уровнем бокового излучения и приема электромагнитных и акустических волн, который обеспечивает моностатическое температурно-ветровое радиоакустическое и акустическое зондирование атмосферы с постоянной максимальной дальностью, не зависящей от состояния атмосферы, при размещении антенны вблизи взлетно-посадочной полосы аэродрома. The basis of the invention is the task of creating a combined radio and acoustic antenna with a low level of lateral radiation and the reception of electromagnetic and acoustic waves, which provides a monostatic temperature-wind radio-acoustic and acoustic sounding of the atmosphere with a constant maximum range, independent of the state of the atmosphere, when placing the antenna near airfield runway.

Такой технический результат достигается тем, что в комбинированной радио- и акустической антенне, содержащей импульсный акустический источник и согласованный вход для подключения доплеровского радиолокатора и параболическое зеркало, которое может независимо отражать акустические и электромагнитные волны, согласно изобретению:
в фокусе параболического зеркала установлен радиоакустический облучатель, выполненный в виде отрезка металлического прямоугольного волновода с поперечным сечением, размеры которого обеспечивают распространение первой электромагнитной моды,
продольная ось симметрии прямоугольного волновода совпадает с оптической осью параболического зеркала,
со стороны первого (верхнего) торца прямоугольного волновода в него введен электроакустический преобразователь с акустическим согласующим устройством, поперечная металлическая сетка и коаксиально-волноводный переход, согласованный для электромагнитных колебаний,
второй (нижний) торец отрезка волновода подсоединен к горловине пирамидального металлического рупора,
параболическое зеркало снабжено расширяющимся наружу металлическим тубусом ломаного профиля, имеющим звуко-радиопоглощающее внутреннее покрытие, причем превышение тубуса над первым торцом отрезка волновода составляет величину не менее диаметра зеркала.Such a technical result is achieved in that in a combined radio and acoustic antenna containing a pulsed acoustic source and a matched input for connecting a Doppler radar and a parabolic mirror, which can independently reflect acoustic and electromagnetic waves, according to the invention:
a radio-acoustic irradiator is installed in the focus of the parabolic mirror, made in the form of a piece of a rectangular metal waveguide with a cross section, the dimensions of which provide the propagation of the first electromagnetic mode,
the longitudinal axis of symmetry of the rectangular waveguide coincides with the optical axis of the parabolic mirror,
from the side of the first (upper) end of the rectangular waveguide, an electro-acoustic transducer with an acoustic matching device, a transverse metal grid and a coaxial-waveguide transition, matched for electromagnetic oscillations, are introduced into it,
the second (lower) end of the waveguide segment is connected to the neck of the pyramidal metal horn,
the parabolic mirror is equipped with an expanding metal tube of a broken profile having a sound-absorbing inner coating, and the excess of the tube over the first end of the waveguide segment is not less than the diameter of the mirror.

В основу принципа работы предлагаемой антенны положены следующие соображения. The principle of operation of the proposed antenna is based on the following considerations.

При радиоакустическом зондировании на вход электромагнитной антенны вместе с полезным сигналом, отраженным от объема пространства, возмущенного акустическим импульсом, поступают сигналы посторонних излучений по боковым и задним лепесткам. Суммарная мощность на входе равна P_aΣ

где P_a - мощность, обусловленная полезным сигналом; отраженным от объема пространства, возмущенного акустическим импульсом,
ΔP_a - добавка к P_a, связанная с излучениями P_b (ϑ,Φ), приходящими по боковым лепесткам;
P_sr (ϑ,Φ) - диаграмма электромагнитного рассеяния возмущенного объема;
F (ϑ,Φ) - диаграмма направленности антенны в режиме приема;
η - КПД антенны;
Ω_r - угол визирования возмущенного объема из антенны.During radio-acoustic sounding, the input of the electromagnetic antenna, along with the useful signal reflected from the volume of the space disturbed by the acoustic pulse, receives signals of extraneous radiation along the side and back lobes. The total input power is equal to P _aΣ

where P _a is the power due to the useful signal; reflected from the volume of space perturbed by an acoustic pulse,
ΔP _a is the additive to P _a associated with emissions of P _b (ϑ, Φ) coming along the side lobes;
P _sr (ϑ, Φ) is the electromagnetic scattering diagram of the perturbed volume;
F (ϑ, Φ) - antenna pattern in the receiving mode;
η - antenna efficiency;
Ω _r is the viewing angle of the perturbed volume from the antenna.

Чтобы полезный сигнал был различим на окружающем фоне, т.е. при P_a >> Δ P_a, в диаграмме радиоприема при низком уровне боковых и задних лепестков главный лепесток должен перекрывать угол визирования возмущенного объема (Θ_a ≅ Ω_r). Те же требования предъявляются к диаграмме радиоизлучения для обеспечения эффективности радиоантенны и снижения уровня электромагнитного воздействия на постороннюю радиоэлектронную аппаратуру. Отсюда вытекают требования к ширине главного лепестка и снижению уровня бокового и заднего излучения акустического источника в комбинированной радиоакустической антенне.So that the useful signal is distinguishable from the surrounding background, i.e. when P _{_a} >> Δ P _a, while in the diagram radio side and back lobes low main lobe should overlap the viewing angle of the perturbed volume (Θ _a ≅ Ω _r). The same requirements apply to the diagram of radio emissions to ensure the effectiveness of the radio antenna and reduce the level of electromagnetic effects on extraneous electronic equipment. This implies requirements for the width of the main lobe and a decrease in the level of side and rear radiation of an acoustic source in a combined radio-acoustic antenna.

В прототипе одно и то же основное зеркало формирует как акустическую, так и электромагнитную диаграммы направленности, хотя облучатели пространственно разнесены. Возникновение боковых лепестков в антенне-прототипе связано в большой мере с возбуждением кромки основного зеркала и затенением его вспомогательным отражателем, определенный вклад дает также перелив энергии волн через края зеркал. По принципу взаимности внешние поля оказывают свое влияние на антенну-прототип именно в тех направлениях, куда она наиболее интенсивно излучает. Таким образом, наиболее "слабым" звеном этой конструкции с точки зрения внешних воздействий является вспомогательное зеркало. Поэтому его желательно исключить. In the prototype, the same main mirror forms both acoustic and electromagnetic radiation patterns, although the irradiators are spatially spaced. The appearance of side lobes in the prototype antenna is largely associated with the excitation of the edge of the main mirror and the shadowing of its auxiliary reflector, a certain contribution also comes from the overflow of wave energy through the edges of the mirrors. By the principle of reciprocity, external fields exert their influence on the prototype antenna precisely in those directions where it radiates most intensively. Thus, the most “weak” link in this design from the point of view of external influences is an auxiliary mirror. Therefore, it is desirable to exclude it.

Для этого необходим облучатель, способный излучать и принимать оба вида волн из одного фокуса. Такой облучатель должен обладать свойством независимой работы в режиме акустических и электромагнитных колебаний. This requires an irradiator capable of emitting and receiving both types of waves from one focus. Such an irradiator should have the property of independent operation in the mode of acoustic and electromagnetic oscillations.

При наличии комбинированного радиоакустического облучателя для подавления влияния кромки параболического зеркала и, как следствие, для подавления дифракционных боковых лепестков следует принять меры для поглощения токов, возникающих на поверхности параболоида и затекающих на его обратную поверхность. Теория и техника такого поглощения в электродинамике известна: например, можно поставить тубус с радиопоглощением на кромку параболоида [10. E.B. Dybdal, Y.E. King. Performance of reflector antennas with absorber lined tunnels // Int. Symp. Dig.: Antennas and Propag. - 1979. - V. 2. - P. 714-717] . В работе [10] исследованы тубусы цилиндрического профиля двух модификаций: с открытым концом и имеющие закругление наружу открытого конца. Показано, что использование тубуса длиной не менее 2-2,5 диаметров зеркала заметно уменьшает уровень дифракционных боковых лепестков, особенно при наличии закругления внешней кромки. In the presence of a combined radio-acoustic irradiator to suppress the influence of the edge of the parabolic mirror and, as a result, to suppress the diffraction side lobes, measures should be taken to absorb currents arising on the surface of the paraboloid and flowing onto its reverse surface. The theory and technique of such absorption in electrodynamics is known: for example, you can put a tube with radio absorption on the edge of the paraboloid [10. E.B. Dybdal, Y.E. King Performance of reflector antennas with absorber lined tunnels // Int. Symp Dig .: Antennas and Propag. - 1979. - V. 2. - P. 714-717]. In [10], tubes of a cylindrical profile of two modifications were investigated: with an open end and having a rounding outward of the open end. It is shown that the use of a tube with a length of at least 2-2.5 mirror diameters significantly reduces the level of diffraction side lobes, especially when there is a rounding of the outer edge.

Авторами экспериментально установлено, что если превышение положения верхнего раскрыва тубуса относительно положения первого (верхнего) торца отрезка волновода составляет величину порядка диаметра зеркала, то происходит заметное подавляющее воздействие на боковые лепестки диаграммы направленности антенны. Дальнейшее увеличение длины тубуса не оказывает заметного влияния на уровень боковых лепестков, но увеличивает вес и габариты антенны. The authors experimentally established that if the excess of the position of the upper aperture of the tube relative to the position of the first (upper) end of the waveguide segment is of the order of the diameter of the mirror, then there is a noticeable suppressive effect on the side lobes of the antenna pattern. A further increase in the length of the tube does not have a noticeable effect on the level of the side lobes, but increases the weight and dimensions of the antenna.

Понятие затекающих "токов" применительно к акустическим волнам условно: роль этих токов играют акустические колебания наружной обшивки антенны и ее основания, возбуждающие акустические волны в окружающем пространстве. Нами сделаны следующие предположения, проверенные затем на макете антенны: 1) если на кромке параболоида установить тубус со звукопоглотителем, то акустические колебания кромки зеркала будут погашены, что должно привести к подавлению дифракционных боковых лепестков антенны для акустических волн; 2) подавление дифракционных лепестков с помощью тубуса будет эффективным при условии, что тубус будет достаточно глубоким, чтобы укрыть от внешних воздействий (в том числе от акустических шумов) облучатель, который может вибрировать под действием окружающих шумов. The concept of flowing “currents” as applied to acoustic waves is arbitrary: the role of these currents is played by the acoustic vibrations of the outer skin of the antenna and its base, exciting acoustic waves in the surrounding space. We made the following assumptions, which were then checked on the antenna layout: 1) if a tube with a sound absorber is installed on the edge of the paraboloid, then the acoustic vibrations of the mirror edge will be canceled, which should lead to suppression of the diffraction side lobes of the antenna for acoustic waves; 2) suppression of diffraction lobes with the help of a tube will be effective provided that the tube is deep enough to hide from external influences (including acoustic noise) an irradiator that can vibrate under the influence of ambient noise.

На фиг. 1 показано конструктивное выполнение предложенной антенны в сборе. In FIG. 1 shows a structural embodiment of the proposed antenna assembly.

На фиг. 2 приведены экспериментальные диаграммы направленности разработанной антенны для электромагнитных и акустических волн. In FIG. 2 shows the experimental radiation patterns of the developed antenna for electromagnetic and acoustic waves.

Предложенная антенна включает (фиг. 1) параболическое зеркало 1, радиоакустический облучатель 2, бленду 3, дифракционный козырек 4, опорную призму 5. Бленда 3 и дифракционный козырек 4 вместе составляют тубус 3-4, подстыкованный к кромке параболического зеркала 1. Параболическое зеркало изготовлено из листового алюминия и обшито снаружи листовым свинцом толщиной 3 мм для уменьшения времени реверберации. Тубус 3-4 изготовлен из листового металла, покрытого изнутри матами из радиопоглощающей ткани с набивкой из минеральной ваты. Такие маты обеспечивают звуко-радиопоглощающее внутреннее покрытие. Толщина матов близка к четверти длины электромагнитной волны. Параболическое зеркало опирается в трех точках на основание - опорную призму 5, места соединения снабжены резиновыми амортизаторами, обеспечивающими акустическую развязку с корпусом антенны. The proposed antenna includes (Fig. 1) a parabolic mirror 1, a radio acoustic irradiator 2, a hood 3, a diffraction peak 4, a support prism 5. A hood 3 and a diffraction peak 4 together comprise a tube 3-4, docked to the edge of the parabolic mirror 1. The parabolic mirror is made made of aluminum sheet and lined on the outside with 3 mm sheet lead to reduce reverberation time. Tube 3-4 is made of sheet metal, internally coated with mats of radar absorbing fabric with mineral wool packing. Such mats provide a sound-absorbing inner coating. The thickness of the mats is close to a quarter of the length of the electromagnetic wave. The parabolic mirror rests at three points on the base - the reference prism 5, the connection points are equipped with rubber shock absorbers that provide acoustic isolation from the antenna body.

Радиоакустический облучатель 2 состоит из металлического пирамидального рупора 6, отрезка прямоугольного металлического волновода 7, коаксиально-волноводного перехода, включающего коаксиальный разъем 8 и штырь 9, соединенный с внутренней жилой коаксиала и выступающий внутрь отрезка волновода 7, поперечной металлической сетки 10 (короткозамыкающей для электрических токов), акустического согласующего устройства 11 (здесь - конического рупора, покрытого изнутри радиопоглотителем), подстыкованного к электроакустическому мембранному преобразователю 12. На фиг. 1 показаны два преобразователя, что позволяет увеличить звуковое давление. The radio-acoustic irradiator 2 consists of a metal pyramidal horn 6, a segment of a rectangular metal waveguide 7, a coaxial waveguide transition including a coaxial connector 8 and a pin 9 connected to the inner core coaxial and protruding into the length of the waveguide 7, a transverse metal grid 10 (short-circuit for electric currents ), an acoustic matching device 11 (here, a conical horn coated inside with a radio absorber), coupled to an electro-acoustic membrane transformer zovatelyu 12. FIG. 1 shows two transducers, which allows to increase the sound pressure.

Экспериментальные диаграммы направленности (фиг. 2) получены при полевых испытаниях комбинированной радиоакустической антенны, имевшей следующие размеры: общая высота антенны 2250 мм, диаметр и глубина зеркала 1 ---> 1100 и 190 мм, угол раствора бленды 3 ---> 20^o, раскрыв бленды 3 ---> 1500 мм, угол раствора козырька 4 ---> 60^o, раскрыв козырька 4 ---> 2000 мм, поперечное сечение волновода 7 ---> 82х168 мм, длина отрезка волновода 7 ---> 360 мм, высота рупора 6 ---> 40 мм, расстояние от раскрыва рупора 6 до вершины параболы зеркала 1 ---> 310 мм. На фиг. 2 ноль градусов на оси абсцисс соответствует направлению оптической оси параболического зеркала 1.The experimental radiation patterns (Fig. 2) were obtained during field trials of a combined radio-acoustic antenna having the following dimensions: total antenna height 2250 mm, mirror diameter and depth 1 ---> 1100 and 190 mm, lens opening angle 3 ---> 20 ^o , opening the hood 3 ---> 1500 mm, the angle of the visor 4 ---> 60 ^o , opening the visor 4 ---> 2000 mm, the cross section of the waveguide 7 ---> 82x168 mm, the length of the length of the waveguide 7 --- > 360 mm, the height of the horn 6 ---> 40 mm, the distance from the opening of the horn 6 to the top of the parabola of the mirror 1 ---> 310 mm. In FIG. 2 zero degrees on the x-axis corresponds to the direction of the optical axis of the parabolic mirror 1.

Поперечное сечение волновода 7 выбирается из условий возбуждения:
1) плоской бегущей звуковой волны [11. Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978. 272 с.];
2) основной электромагнитной волны [12. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия. 1975. 528 с.].The cross section of the waveguide 7 is selected from the excitation conditions:
1) a plane traveling sound wave [11. Sapozhkov M.A. Electroacoustics. - M .: Communication, 1978. 272 p.];
2) the main electromagnetic wave [12. Markov G.T., Sazonov D.M. Antennas - M .: Energy. 1975.528 p.].

Короткозамыкающая поперечная металлическая сетка 10, не являясь препятствием для акустических волн, отражает электромагнитную энергию. Расстояние между поперечной металлической сеткой 10 и волноводно-коаксиальным переходом 8-9 выбирается при настройке антенны таким образом, чтобы вся электромагнитная мощность, поступившая в антенну через переход 8-9, отразилась в рупор 6, причем реактивность перехода 8-9 компенсируется. Short-circuit transverse metal mesh 10, not being an obstacle to acoustic waves, reflects electromagnetic energy. The distance between the transverse metal grid 10 and the waveguide-coaxial transition 8-9 is selected when tuning the antenna so that all the electromagnetic power entering the antenna through the transition 8-9 is reflected in the speaker 6, and the reactivity of the transition 8-9 is compensated.

Антенна снабжена электронагревателем для подогрева в зимнее время с целью удаления твердых гидрометеоров, в нижней части антенны имеется дренажная трубка для отвода воды, скапливающейся во время осадков (на фиг. 1 не показана). The antenna is equipped with an electric heater for heating in the winter in order to remove solid hydrometeors; in the lower part of the antenna there is a drainage tube to drain water that accumulates during precipitation (not shown in Fig. 1).

Антенна работает следующим образом. При подаче сигнала на электроакустический преобразователь 12 последний за счет механического колебания мембраны создает пакет акустических волн, которые через согласующий рупор 11 поступают в пространство внутри отрезка волновода 7. Поперечная металлическая сетка 10 выполнена из тонких проволок, натянутых на расстоянии около 20 мм в плоскости поперечного сечения волновода 7 параллельно узким стенкам и не является препятствием для распространения акустической волны. В силу малости размеров по сравнению с длиной акустической волны на нее не оказывает влияния проволочный штырь 9. Далее эта волна возбуждает рупор 6, формирующий акустическое излучение в направлении параболического зеркала 1. Падающая акустическая волна отражается зеркалом 1 в некотором угле вокруг направления оптической оси. Акустические колебания возникают также в стенках бленды 3, передаваясь от зеркала 1, а также вследствие падения некоторой части акустической энергии непосредственно от облучателя 2. Однако по мере удаления от зеркала 1 акустические колебания быстро затухают в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии бленды 3. Та небольшая часть акустической энергии, которая достигает внешнего края бленды, поглощается в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии козырька 4. The antenna works as follows. When a signal is applied to the electro-acoustic transducer 12, the latter creates a packet of acoustic waves due to mechanical vibrations of the membrane, which through the matching horn 11 enter the space inside the length of the waveguide 7. The transverse metal mesh 10 is made of thin wires stretched at a distance of about 20 mm in the plane of the cross section waveguide 7 parallel to narrow walls and is not an obstacle to the propagation of an acoustic wave. Due to the small size compared to the length of the acoustic wave, the wire pin 9 does not affect it. Next, this wave excites a horn 6, which generates acoustic radiation in the direction of the parabolic mirror 1. The incident acoustic wave is reflected by mirror 1 in a certain angle around the direction of the optical axis. Acoustic vibrations also occur in the walls of lens hood 3, transmitted from mirror 1, and also due to the fall of some part of the acoustic energy directly from the irradiator 2. However, as you move away from mirror 1, acoustic vibrations decay quickly in the sound-absorbing inner coating of lens hood 3. That small part acoustic energy, which reaches the outer edge of the hood, is absorbed in the sound-absorbing inner coating of the visor 4.

Описанная модель работы антенны на акустических волнах иллюстрируется акустическими диаграммами направленности, приведенными на фиг, 2. Антенна в сборе, т.е. с блендой и козырьком? имеет самый низкий уровень боковых лепестков - кривая 1 на нижнем графике фиг. 2. Антенна с блендой, но без козырька имеет более высокий уровень боковых лепестков - кривая 2. Антенна без тубуса (т.е. только параболическое зеркало) имеет заметно более высокий уровень боковых, начиная с угла ~25^o отклонения от оптической оси параболического зеркала 1. Ширина акустической диаграммы направленности по половинной мощности (-6 дБ по амплитуде) составляет 18^o.The described model of operation of the antenna on acoustic waves is illustrated by the acoustic radiation patterns shown in Fig. 2. The antenna assembly, i.e. with a hood and a visor? has the lowest level of side lobes - curve 1 in the lower graph of FIG. 2. An antenna with a hood, but without a visor, has a higher level of side lobes - curve 2. An antenna without a tube (that is, only a parabolic mirror) has a noticeably higher level of side lobes, starting from an angle of ~ 25 ^o deviation from the optical axis of the parabolic mirror 1. The width of the acoustic radiation pattern at half power (-6 dB in amplitude) is 18 ^o .

По окончании акустической посылки на разъем 8 поступает радиоимпульсный ток, который с помощью штыря 9 возбуждает собственные электромагнитные волны волновода 7, бегущие в обе стороны вдоль оси волновода. Среди этих волн первая является распространяющейся, остальные экспоненциально затухают по мере удаления от штыря 9. Затухающие волны создают эффект реактивного сопротивления штыря 9 как источника электромагнитной энергии. Волна, упавшая на поперечную металлическую сетку 10, отражается обратно и в поперечном сечении штыря 9 складывается (с учетом амплитуды и фазы) с волной, бегущей в сторону рупора 6. Та часть электромагнитной энергии, которая просочилась сквозь поперечную металлическую сетку 10, поглощается радиопоглотителем, нанесенным на внутреннюю поверхность акустического рупора 11. Расстояние между поперечной металлической сеткой 10 и штырем 9 выбирается при настройке антенны таким, что энергия отраженных электромагнитных волн складывается с энергией волн, бегущих в сторону рупора 6. Рупор 6 формирует излученную волну в сторону параболического зеркала 1, которое отражает ее в виде прожекторного луча. Токи, затекающие с поверхности зеркала и наводимые непосредственно полем облучателя на поверхности бленды 3, затухают в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии бленды. Токи, не успевшие затухнуть на поверхности бленды 3, затекают на поверхность козырька 4, где эффективно поглощаются и рассеиваются за счет быстрого расширения к внешней кромке и за счет звуко-радиопоглощающего внутреннего покрытия козырька 4. Данная модель работы антенны для электромагнитных волн иллюстрируется верхним графиком на фиг. 2. Из графика видно, что боковые лепестки антенны в сборе начиная с угла 20^o заметно увеличиваются при изъятии козырька и особенно тубуса. Ширина электромагнитной диаграммы направленности антенны по половинной мощности (-6 дБ по амплитуде) составляет 24^o.At the end of the acoustic package, a radio-pulse current is supplied to connector 8, which, with the help of pin 9, excites its own electromagnetic waves of the waveguide 7, traveling in both directions along the axis of the waveguide. Among these waves, the first is propagating, the others decay exponentially with distance from the pin 9. The damped waves create the effect of reactance of the pin 9 as a source of electromagnetic energy. The wave incident on the transverse metal grid 10 is reflected back and in the cross section of the pin 9 is added (taking into account the amplitude and phase) with the wave running towards the horn 6. That part of the electromagnetic energy that has leaked through the transverse metal grid 10 is absorbed by the radio absorber, plotted on the inner surface of the acoustic horn 11. The distance between the transverse metal mesh 10 and the pin 9 is selected when tuning the antenna so that the energy of the reflected electromagnetic waves is added to the energy in flax, running towards the horn 6. The horn 6 forms an emitted wave in the direction of the parabolic mirror 1, which reflects it in the form of a searchlight beam. The currents flowing from the mirror surface and directly induced by the irradiator field on the surface of the hood 3 are attenuated in the sound-absorbing inner coating of the hood. Currents that do not have time to decay on the surface of the hood 3 flow onto the surface of the visor 4, where they are effectively absorbed and scattered due to rapid expansion to the outer edge and due to the sound-absorbing inner coating of the visor 4. This model of operation of the antenna for electromagnetic waves is illustrated by the upper graph on FIG. 2. From the graph it is seen that the side lobes of the antenna assembly starting from an angle of 20 ^o significantly increase with the removal of the visor and especially the tube. The width of the electromagnetic radiation pattern of the antenna at half power (-6 dB in amplitude) is 24 ^o .

Антенна является взаимной (не содержит невзаимных элементов), поэтому ее диаграмма излучения совпадает с диаграммой приема. The antenna is mutual (does not contain non-reciprocal elements), therefore its radiation pattern coincides with the reception pattern.

Оценим уровень боковых лепестков антенны пои наклонном зондировании. Предложенная антенна устанавливается на земной поверхности вблизи взлетно-посадочной полосы и с помощью механического поворотного устройства может осуществлять наклонное (с отклонением оптической оси антенны от вертикального положения) зондирование атмосферы над аэродромом. Здесь возможны заметные уровни посторонних электромагнитных и акустических полей, распространяющихся вдоль земной поверхности (приземные электромагнитные и акустические волны). При работе в таких условиях наиболее жесткие требования предъявляются к боковым лепесткам, по которым антенна может принимать или излучать приземные волны. Let us estimate the level of the side lobes of the antenna and inclined sensing. The proposed antenna is installed on the earth's surface near the runway and using a mechanical rotary device can carry out inclined (with deviation of the optical axis of the antenna from the vertical position) sounding the atmosphere above the airfield. Significant levels of extraneous electromagnetic and acoustic fields propagating along the earth's surface (surface electromagnetic and acoustic waves) are possible here. When working in such conditions, the most stringent requirements are imposed on the side lobes, through which the antenna can receive or emit surface waves.

Для нахождения минимального угла места оптической оси антенны при наклонном зондировании атмосферы рассмотрим физический эффект, связанный с ветровой деформацией акустического волнового фронта, распространяющегося в атмосфере. В результате ветрового воздействия сферический волновой фронт принимает форму сплющенной и вытянутой по направлению ветра эллипсоидной поверхности. На этой поверхности акустического волнового фронта имеются две области, обладающие свойством отражать и фокусировать отраженные радиоволны в точку излучения звуковых и электромагнитных колебаний. Обе области пересекаются азимутальной плоскостью, в которой лежит локальный горизонтальный вектор ветра. При излучении и приеме радиоимпульсов из одной и той же точки в плоскости локального горизонтального ветра, т.е. по ветру и против ветра, доплеровский сдвиг отраженных радиосигналов оказывается предельно возможным (Ω_дmax и Ω_дmin) по сравнению с зондированием в других азимутальных плоскостях. При круговом зондировании предложенной антенны выбирается азимутальная плоскость, в которой разность доплеровских сдвигов достигает максимума (ΔΩ_дmax = Ω_дmax-Ω_дmin) и вычисляется локальный горизонтальный ветер по формуле V_r = λ_cΔΩ_дmax/(8πsinα).
Для определения угла места, при котором отраженный сигнал будет принят в точке излучения, проведено численное моделирование с учетом высотного распределения ветра в реальной атмосфере, основные соотношения приведены ниже.To find the minimum elevation angle of the optical axis of the antenna with oblique sounding of the atmosphere, we consider the physical effect associated with the wind deformation of the acoustic wavefront propagating in the atmosphere. As a result of the wind action, the spherical wave front takes the form of a flattened and elongated ellipsoidal surface in the direction of the wind. On this surface of the acoustic wave front, there are two regions that have the property of reflecting and focusing the reflected radio waves to the point of emission of sound and electromagnetic waves. Both areas intersect with the azimuthal plane in which the local horizontal wind vector lies. When radiating and receiving radio pulses from the same point in the plane of the local horizontal wind, i.e. downwind and upwind, the Doppler shift of the reflected radio signals is extremely possible (Ω _dmax and Ω _dmin ) compared to sounding in other azimuthal planes. In the circular sounding of the proposed antenna, an azimuthal plane is selected in which the Doppler shift difference reaches a maximum ( _{ΔΩ dmax} = Ω _dmax -Ω _dmin ) and the local horizontal wind is calculated by the formula V _r = λ _c _{ΔΩ dmax} / (8πsinα).
To determine the elevation angle at which the reflected signal will be received at the point of radiation, a numerical simulation was carried out taking into account the altitude distribution of the wind in a real atmosphere, the main relationships are given below.

Действие ветрового потока с вектором скорости

приводит к деформации сферического фронта R₀ ² = c_зв ²t² звуковой волны, распространяющейся в атмосфере. Здесь

радиус-вектор поверхности, образованной фронтом звуковой волны. Деформация сферического фронта под действием ветра определяется результирующим вектором

его распространения.Wind flow action with speed vector

leads to deformation of the spherical front R ₀ ² = c _sv ² t ^{2 of the} sound wave propagating in the atmosphere. Here

radius vector of the surface formed by the front of the sound wave. The deformation of a spherical front under the influence of wind is determined by the resulting vector

its distribution.

В результате поверхность деформированного фронта звуковой волны имеет вид
R² = (c_зв + u_r)²t², (1)
где u_r - радиальный компонент вектора скорости ветра,

радиус-вектор.As a result, the surface of the deformed front of the sound wave has the form
R ² = (c _sv + u _r ) ² t ² , (1)
where u _r is the radial component of the wind speed vector,

radius vector.

Выражение (1) в декартовой системе координат представляет следующее параметрическое уравнение поверхности:
x = R₀f(Φ,θ)cosΦsinθ;
y = R₀f(Φ,θ)sinΦsinθ; (2)
z = R₀f(Φ,θ)cosθ,
где

В уравнении (2) применены следующие обозначения: c_x, c_y, c_z и u_x, u_y, u_z - компоненты векторов скорости звука и ветра в декартовой системе координат, Φ и θ - полярные координаты (0 ≅ Φ ≅ 2π; 0 ≅ θ ≅ π/2), угол θ отсчитывается от нормали к поверхности Земли.Expression (1) in the Cartesian coordinate system represents the following parametric equation of the surface:
x = R ₀ f (Φ, θ) cosΦsinθ;
y = R ₀ f (Φ, θ) sinΦsinθ; (2)
z = R ₀ f (Φ, θ) cosθ,
Where

The following notation is used in equation (2): c _x , c _y , c _z and u _x , u _y , u _z are the components of the sound and wind velocity vectors in the Cartesian coordinate system, Φ and θ are polar coordinates (0 ≅ Φ ≅ 2π ; 0 ≅ θ ≅ π / 2), the angle θ is measured from the normal to the surface of the Earth.

Из учета требования совпадения точек приема и излучения электромагнитных колебаний в комбинированной радиоакустической антенне нормаль к поверхности фазового фронта звуковой волны в точке M₀(x₀,y₀,z₀) проходит через начало координат O(0,0,0). Это условие дает следующую систему уравнений относительно неизвестных величин R₀, Φ₀, θ₀, определяющих ориентацию антенны:

Уравнение (3) определяет условие получения эхо-сигнала в точке излучения звуковых и электромагнитных колебаний. Решение этого уравнения дает значения следующих основных параметров зондирования:
- азимута главной оси диаграммы направленности антенны РАЗ (Φ₀);
- угла места той же оси

- наклонной дальности (R₀f(Φ₀,θ₀).
Сечение фазового фронта звуковой волны в плоскости xz ( Φ = 0) можно описать следующим параметрическим уравнением кривой:

где

u_x) = usin δ₀;
u_z = ucos δ₀.
В уравнении (4) величина δ₀ представляет угол ориентации вектора скорости ветра относительно оси z.Taking into account the requirement of coincidence of the points of reception and emission of electromagnetic waves in the combined radio-acoustic antenna, the normal to the surface of the phase front of the sound wave at the point M ₀ (x ₀ , y ₀ , z ₀ ) passes through the origin O (0,0,0). This condition gives the following system of equations for unknown quantities R ₀ , Φ ₀ , θ ₀ that determine the orientation of the antenna:

Equation (3) determines the condition for obtaining an echo signal at the point of emission of sound and electromagnetic waves. The solution of this equation gives the values of the following basic sensing parameters:
- azimuth of the main axis of the antenna pattern TIME (Φ ₀ );
- elevation of the same axis

- oblique range (R ₀ f (Φ ₀ , θ ₀ ).
The cross section of the phase front of the sound wave in the xz plane (Φ = 0) can be described by the following parametric equation of the curve:

Where

u _x ) = usin δ ₀ ;
u _z = ucos δ ₀ .
In equation (4), δ ₀ represents the angle of orientation of the wind speed vector relative to the z axis.

Возможность совмещения точек излучения и приема электромагнитного сигнала, отраженного окрестностью фазового фронта звуковой волны с центром в точке M₀(z₀,x₀), реализуется при выполнении условия

Решение дифференциально-трансцендентного уравнения (5) при фиксированном значении R₀ позволяет определить угол места

точки M₀ на фазовом фронте, а также значение наклонной дальности

Для случая горизонтального ветра (δ₀ = π/2) уравнение (5) преобразуется к виду
ctg2θ = kt/2. (7)
Из анализа решения данного уравнения следует, что угол места

"рабочей" точки фазового фронта звуковой волны в определенной мере зависит от величины kt. Это свидетельствует о том, что деформация фазового фронта звуковой волны увеличивается с высотой, так как z ≈ ct и u(z) = kt.The possibility of combining the points of emission and reception of an electromagnetic signal reflected by the vicinity of the phase front of the sound wave with the center at the point M ₀ (z ₀ , x ₀ ) is realized when the condition

The solution of the differential transcendental equation (5) for a fixed value of R ₀ allows you to determine the elevation angle

points M ₀ at the phase front, as well as the value of the slant range

For the case of horizontal wind (δ ₀ = π / 2), equation (5) is transformed to
ctg2θ = kt / 2. (7)
From the analysis of the solution of this equation it follows that the elevation angle

the "working" point of the phase front of the sound wave to a certain extent depends on the value of kt. This indicates that the deformation of the phase front of the sound wave increases with height, since z ≈ ct and u (z) = kt.

В реальной атмосфере типовые профили ветра в пограничном слое атмосферы [13. Атмосфера. Справочник, Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 509 с. Раздел 9.1. 14. Пановский Г.Н. Планетарный пограничный слой. / Динамика погоды. 1988. с. 351-382.] аппроксимируется аналитической функцией

где v_g - геострофический ветер; χ₀ - параметр шероховатости поверхности; a и b - некоторые постоянные. Атмосферным пограничным слоем (планетарным пограничным слоем) называют прилегающий к поверхности Земли слой воздуха, в котором существенно сказывается динамическое и тепловое влияние подстилающей поверхности. Толщина его зависит от метеорологических условий и колеблется от нескольких сотен метров (в ночные часы при слабом ветре) до 2-3 км (в дневные часы при сильном ветре).In a real atmosphere, typical wind profiles in the boundary layer of the atmosphere [13. Atmosphere. Handbook, L .: Gidrometeoizdat, 1991. 509 p. Section 9.1. 14. Panovsky G.N. Planetary boundary layer. / The dynamics of the weather. 1988.S. 351-382.] Is approximated by an analytic function

where v _g is the geostrophic wind; χ ₀ is the surface roughness parameter; a and b are some constants. The atmospheric boundary layer (planetary boundary layer) is the layer of air adjacent to the Earth's surface, in which the dynamic and thermal influence of the underlying surface significantly affects. Its thickness depends on meteorological conditions and ranges from several hundred meters (at night with a light wind) to 2-3 km (during the daytime with a strong wind).

Получены решения уравнения (5) для реальных профилей горизонтальной скорости ветра над сушей вечером, ночью, днем, которые позволяют задать углы места точек максимального отражения Θ = (40...45^o)±15^o. Этот результат хорошо согласуется с частными случаями, экспериментально проверенными в работах [2] , [15. Масуда Е. Техника дистанционного исследования атмосферы с использованием звуковых волн // Кихон онке гакайси, 1987. Т. 43, по 6. С. 425-430. Перевод Р-14158 от 1.8.88, ГПНТБ, Москва.] и подтвержденными в статье [16. Фабрикант А. Л. // Изв.ВУЗов. Радиофизика, 1988, т. 31, по 10, 1160-1163].The solutions of equation (5) are obtained for real profiles of the horizontal wind speed over land in the evening, night, day, which allow you to set the elevation angles of the points of maximum reflection Θ = (40 ... 45 ^o ) ± 15 ^o . This result agrees well with particular cases experimentally verified in [2], [15. Masuda E. Technique for remote study of the atmosphere using sound waves // Kihon onke gakaysi, 1987.V. 43, 6. 6. P. 425-430. Translation of R-14158 dated 1.8.88, GPNTB, Moscow.] And confirmed in the article [16. Fabrikant A.L. // Izv. VUZov. Radiophysics, 1988, v. 31, 10, 1160-1163].

Отсюда, с учетом ширины акустической диаграммы направленности, получаем минимальный угол места оптической оси антенны при наклонном зондировании атмосферы 40^o-15^o+9^o = 34^o. Из графиков фиг. 2 максимальный уровень направленных вдоль земной поверхности боковых лепестков предложенной антенны при наклонном зондировании атмосферы составляет: для электромагнитных волн -22 дБ, для звуковых волн - 33 дБ. С физической точки зрения полученный результат вполне оправдан. Заметно меньший уровень горизонтальных боковых лепестков для акустических волн объясняется тем, что по сравнению с электромагнитными волнами длина акустической волны вдвое короче, главный лепесток диаграммы направленности уже, а в рассматриваемом угле места помещается больше боковых лепестков, которые успевают быстрее затухнуть.Hence, taking into account the width of the acoustic radiation pattern, we obtain the minimum elevation angle of the optical axis of the antenna with oblique sounding of the atmosphere 40 ^o -15 ^o +9 ^o = 34 ^o . From the graphs of FIG. 2, the maximum level of the side lobes of the proposed antenna directed along the earth's surface with oblique sounding of the atmosphere is: -22 dB for electromagnetic waves, and 33 dB for sound waves. From a physical point of view, the result is quite justified. A noticeably lower level of horizontal side lobes for acoustic waves is explained by the fact that, compared with electromagnetic waves, the length of the acoustic wave is twice as short, the main lobe of the radiation pattern is narrower, and in the considered elevation angle there are more side lobes that have time to decay faster.

Таким образом, предложенная антенна может применяться на аэродроме, так как обеспечивает нормальную работу радиоакустической системы по нахождению характеристик поля ветра и кратковременных микровзрывных потоков, не создает помех аэродромным радиотехническим средствам и сама не воспринимает посторонние излучения благодаря предложенной конструкции. Thus, the proposed antenna can be used at the aerodrome, as it ensures the normal operation of the radio-acoustic system to find the characteristics of the wind field and short-term microexplosive flows, does not interfere with the aerodrome radio equipment and does not perceive extraneous radiation due to the proposed design.

Claims

A combined radio and acoustic antenna containing a pulsed acoustic source, a matched input for connecting a Doppler radar and a parabolic mirror, which can independently reflect acoustic and electromagnetic waves, characterized in that the focus of the parabolic mirror has a radio-acoustic irradiator made in the form of a piece of a rectangular metal waveguide with a cross section, the dimensions of which ensure the propagation of the first electromagnetic mode, from the side of the first At the end of the waveguide, an electro-acoustic transducer with an acoustic matching device, a transverse metal grid and a coaxial waveguide transition, matched for electromagnetic oscillations, are inserted, the second end of the waveguide segment is connected to the neck of the pyramidal metal horn, the parabolic mirror is equipped with a broken-shaped metal tube expanding outward, which has sound-absorbing sound the inner coating, and the excess of the tube over the first end of the waveguide segment is it is not less than the diameter of the mirror.