Радиопоглощающее покрытие, способ получения и управления его свойствами и устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в свч диапазоне радиоволн - RU2155420C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ) в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано для уменьшения радиолокационной видимости объектов различного назначения и конфигурации.

Как известно, радиопоглощающие покрытия (РПП) могут быть немагнитными и магнитными [1]. Немагнитные РПП подразделяются на градиентные (поглощающие), интерференционные и комбинированные. Градиентные РПП имеют многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости по толщине. Верхний (входной) слой обычно состоит из материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, близкую к единице; остальные чередующиеся слои изготавливаются из твердых диэлектриков с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью [2, 3]. Для повышения коэффициента поглощения ЭМВ и широкополосности РПП в нем определенные слои наполняются немагнитными или магнитными фрагментами [4, 5, 6,]. Поглощение энергии ЭМВ в таких РПП происходит за счет ее преобразования в другие виды энергии, главным образом в тепловую. К градиентным условно относятся шиповидные РПП, в которых коэффициент поглощения ЭМВ увеличивается за счет многократного отражения волн от поверхности шипов с поглощением энергии волн при каждом отражении [7, 8]. Интерференционные РПП состоят из чередующихся слоев диэлектрика и электропроводного материала или решеток резонансных элементов, причем толщину РПП выбирают кратной четверти длины волны СВЧ излучения [9, 10, 11, 12]. В таких РПП энергия падающего СВЧ излучения ослабляется за счет интерференции радиоволн, отраженных от металлической поверхности подложки, на которую нанесено РПП, и электропроводящих слоев (они складываются в противофазе).

Основными недостатками немагнитных РПП являются их громоздкость, относительная узкополосность, использование при изготовлении токсичных материалов и веществ, сложность в изготовлении, что ограничивает диапазон эксплуатационных условий их применения.

В определенной мере этих недостатков лишены магнитные РПП, основным компонентом которых являются мелкодисперсные ферритовые материалы. Известно антирадарное покрытие, получаемое из смеси сферических намагниченных частиц размером 0,5-20 мкм в виде порошкообразного железа или покрытых намагниченным материалом стеклянных шариков и диэлектрического связующего, причем намагниченные частицы составляют приблизительно 80% веса смеси, а в качестве связующего использована термостойкая силиконовая композиция. Этот радиопоглощающий материал обеспечивает ослабление энергии ЭМВ на 12-20 дБ в диапазоне 2-10 ГГц при толщине покрытия приблизительно 1 мм (0,040 дюйма) [13]. Недостатком данного РПП является преобладание в нем магнитного наполнителя (80%), следствием чего являются его значительный вес и хрупкость.

Известна композиция для ослабления излучения радиолокаторов, содержащая связующее, в качестве которого использован силоксановый полимер с полимерным сшивающим агентом для него, порошок карбонильного железа, компонент на основе платины и ингибитор, при этом количество порошка карбонильного железа в композиции составляет 50 - 90 вес.%. Композиция обладает повышенной термостабильностью при температурах до 285^o С [14]. Недостатками этого РПП также являются его большой вес и хрупкость, а также значительная стоимость.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является радиопоглощающий материал, содержащий в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса, а в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас. %: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Этот радиопоглощающий материал обеспечивает ослабление энергии ЭМВ на 7-18 дБ в СВЧ диапазоне при толщине покрытия порядка 1 мм. К преимуществам данного покрытия следует отнести простоту процесса приготовления композиции и нанесения на поверхность защищаемого объекта, нетоксичность и доступность компонентов, высокие адгезионные свойства, что обеспечивает широкий диапазон эксплуатационных условий его применения [15].

Причина, препятствующая получению указанного ниже технического результата при использовании данного покрытия, заключается в следующем. Свойства РПП, получаемого с помощью описанного материала, зависят от размера частиц порошкообразного магнитного наполнителя и толщины наносимого слоя, которая должна быть одинаковой во всех точках покрываемой поверхности. Конкретный размер частиц порошкообразного магнитного наполнителя в композиции подбирается расчетным путем для подавления СВЧ излучения с определенной длиной волны. Поскольку не существует партий порошков определенной марки, размеры частиц в которых абсолютно одинаковы, то свойства получаемого РПП всегда будут отличаться от расчетных. Толщина слоя получается неодинаковой во всех точках - при нанесении радиопоглощающего материала на поверхность, расположенную вертикально, под углом или имеющую кривизну, т.к. при этом происходит оплыв материала, частицы порошкообразного магнитного наполнителя, как более тяжелые, смещаются вниз. Если отклонения параметров РПП от расчетных оказываются неприемлемыми, то его удаляют, приготавливают и наносят новое, что влечет за собой непроизводительные затраты сил и средств.

Известен способ изготовления поглотителя электромагнитных волн, включающий нанесение на металлическую подложку первого слоя диэлектрика и формирование на нем решетки резонансных элементов, последующее нанесение на полученную решетку второго слоя диэлектрика и решетки резонансных элементов и так далее до N слоев диэлектрика и решеток резонансных элементов, нанесение на последнюю решетку резонансных элементов защитного слоя диэлектрика, причем при формировании каждой решетки резонансные элементы выполняют в соответствии с длиной волны согласования поглощаемого поддиапазона частот, а толщину каждого слоя диэлектрика увеличивают от слоя к слою пропорционально длине волны согласования поглощаемого поддиапазона частот в соответствии с соотношением

При этом слои диэлектрика и решетки резонансных элементов изготавливают отдельно и укладывают последовательно, причем решетки резонансных элементов формируют с помощью перфорированных трафаретов или печатным методом электропроводным материалом. Операции формирования решеток резонансных элементов могут быть автоматизированы, что упрощает технологию их изготовления в целом [12].

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления поглотителя ЭМВ, является отсутствие в нем операций инструментального контроля толщин слоев диэлектрика, величин коэффициента поглощения энергии ЭМВ слоями и РПП в целом, вследствие чего его свойства могут не соответствовать заданным требованиям.

Известно устройство для дистанционного измерения отражательных свойств объектов сложной формы в СВЧ диапазоне радиоволн, содержащее СВЧ генератор, смеситель, усилитель, приемопередающую антенну, лазерный целеуказатель, первую и вторую видеокамеры, видеоконтрольное устройство, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, вычислитель, радиопоглощающие элементы. Выход СВЧ генератора соединен с входом делителя мощности, первый выход которого подключен к первому входу смесителя, а второй выход - к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с приемопередающей антенной, а третье плечо - со вторым входом смесителя, выход которого подключен к усилителю, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу вычислителя, ко второму и третьему входам которого подключены выходы соответственно первой и второй видеокамер. Первый выход вычислителя соединен с входом первой видеокамеры, второй выход - с входом второй видеокамеры, третий выход - с входом лазерного целеуказателя, четвертый выход - с входом синхронизатора, пятый выход - с видеоконтрольным устройством. Первый выход синхронизатора подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - к входу частотного модулятора, выход которого подключен к входу СВЧ генератора. В качестве приемопередающей антенны, которая установлена на переносной стойке и закреплена с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту, использована параболическая зеркальная антенна или остроконечный пирамидальный рупор. Приемопередающая антенна, лазерный целеуказатель и первая видеокамера жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы, а вторая видеокамера установлена так, что ее оптическая ось направлена на исследуемый объект и перпендикулярна оптической оси приемопередающей антенны. Радиопоглощающие элементы выполнены в виде матов, ковриков, экранов, штор, водной пены, устанавливаемых или наносимой на окружающие исследуемый объект поверхности и предметы, а также вблизи приемопередающей антенны.

Описанное устройство обеспечивает дистанционное измерение как локальных характеристик рассеяния энергии ЭМВ в СВЧ диапазоне, так и интегральных диаграмм рассеяния различных объектов, что позволяет получать радиопортреты объектов, в том числе крупногабаритных и сложной конфигурации, под различными углами визирования [16].

Возможности получения указанного ниже технического результата с помощью данного устройства (выбранного в качестве прототипа) ограничены следующими причинами. Для определения свойств РПП и возможной корректировки их в процессе нанесения РПП на поверхность объекта, необходимо точно знать место, в котором произошло их отклонение от заданных параметров. Используемая параболическая зеркальная антенна формирует прожекторный луч, при этом элемент разрешения по дальности представляет собой цилиндр диаметром около 60 см и высотой около 30 см. Этот объем воспринимается радиолокатором как единичный элемент пространства, поэтому внутри этого объема невозможно выделить, например, "блестящую" точку и определить ее координаты на поверхности облучаемого объекта с привязкой к какому-либо характерному элементу, если линейные размеры этой точки меньше диаметра луча. Используемые в устройстве радиопоглощающие элементы выполнены на основе традиционных радиопоглощающих материалов, например, ХВ-3, к недостаткам которых следует отнести значительный вес, жесткость, недолговечность. Использование пены как одноразового средства увеличивает трудозатраты на проведение эксперимента.

Сущность заявленной группы изобретений заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлены изобретения, является разработка и создание эффективно работающего в широком диапазоне СВЧ радиоволн тонкого радиопоглощающего покрытия. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретений, заключается в расширении диапазона СВЧ радиоволн, ослабляемых радиопоглощающим покрытием, и повышение качества радиопоглощающего покрытия за счет введения инструментального контроля его параметров при изготовлении и нанесении на поверхности защищаемого объекта.

Указанный технический результат достигается тем, что известное радиопоглощающее покрытие, содержащее радиопоглощающий материал, включающий в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80, согласно изобретению выполнено в виде слоев радиопоглощающего материала, первый из которых нанесен на отражающую электромагнитные волны поверхность, а остальные нанесены последовательно один на другой, при этом количество слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения радиопоглощающего покрытия согласно следующему соотношению:
K_п = K_э•N,
где K_п - требуемый коэффициент поглощения ЭМВ радиопоглощающего покрытия;
K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ, учитывающий соотношение ингредиентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе, включающем нанесение на металлическую подложку первого слоя поглотителя электромагнитных волн, на который последовательно наносят другие идентичные по составу слои поглотителя электромагнитных волн, согласно изобретению в качестве поглотителя электромагнитных волн используют радиопоглощающий материал, содержащий в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса, а в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас. %: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80, после нанесения первых трех-четырех слоев радиопоглощающего материала с определенным соотношением ингредиентов измеряют величину коэффициента поглощения полученного радиопоглощающего покрытия, сравнивают ее с расчетной величиной для данного количества слоев радиопоглощающего материала с данным соотношением ингредиентов, если величина измеренного коэффициента поглощения превышает расчетную, то удаляют часть верхнего слоя радиопоглощающего материала до получения величины требуемого коэффициента поглощения, а если меньше расчетной, то приготавливают порцию радиопоглощающего материала с соотношением ингредиентов, обеспечивающим при нанесении требуемую величину коэффициента поглощения, после этого наносят следующие три-четыре слоя радиопоглощающего материала с определенным соотношением ингредиентов, измеряют величину коэффициента поглощения полученного радиопоглощающего покрытия, сравнивают ее с расчетной величиной для данного количества слоев радиопоглощающего материала с данными соотношениями ингредиентов и аналогичным методом добиваются равенства измеренного и расчетного коэффициентов поглощения радиопоглощающего покрытия с данным количеством слоев радиопоглощающего материала, затем операции повторяют, причем наносят такое количество слоев радиопоглощающего материала, которое обеспечивает получение заданного коэффициента поглощения всего радиопоглощающего покрытия.

Требуемый коэффициент поглощения радиопоглощающего покрытия K_п определяют согласно следующему соотношению:
K_п = K_э•N,
где K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ, учитывающий соотношение ингредиентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для дистанционного измерения отражательных свойств объектов в СВЧ диапазоне радиоволн, содержащем СВЧ генератор, смеситель, усилитель, приемопередающую параболическую зеркальную антенну с облучателем, лазерный целеуказатель, первую и вторую видеокамеры, видеоконтрольное устройство, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, вычислитель, радиопоглощающие элементы, при этом выход СВЧ генератора соединен с входом делителя мощности, первый выход которого подключен к первому входу смесителя, а второй выход - к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с первым входом приемопередающей антенны, а третье плечо - со вторым входом смесителя, выход которого подключен к усилителю, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу вычислителя, ко второму и третьему входам которого подключены выходы соответственно первой и второй видеокамер, первый выход вычислителя соединен с входом первой видеокамеры, второй выход - с входом второй видеокамеры, третий выход - с входом лазерного целеуказателя, четвертый выход - с входом синхронизатора, пятый выход - с видеоконтрольным устройством, первый выход синхронизатора подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - к входу частотного модулятора, выход которого подключен к входу СВЧ генератора, приемопередающая антенна установлена на переносной стойке и закреплена с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту, причем приемопередающая антенна, лазерный целеуказатель и первая видеокамера жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы, а вторая видеокамера установлена так, что ее оптическая ось направлена на исследуемый объект и перпендикулярна оптической оси приемопередающей антенны, согласно изобретению облучатель приемопередающей параболической зеркальной антенны снабжен устройством для его возвратно-поступательного перемещения соосно оптической оси антенны, в вычислитель введен блок управления перемещением облучателя, выход которого является шестым выходом вычислителя и соединен с входом устройства для перемещения облучателя, являющимся вторым входом приемопередающей антенны, а радиопоглощающие элементы выполнены в виде гибких матов, ковриков, штор, куполо- и конусообразных колпаков, на поверхностях которых смонтирован отражающий электромагнитные волны экран, например, металлическая сетка, на который последовательно нанесены слои радиопоглощающего материала, включающего в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80, при этом количество слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения радиопоглощающего покрытия согласно следующему соотношению:
K_п = K_э•N,
где K_п - требуемый коэффициент поглощения ЭМВ радиопоглощающего покрытия;
K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ, учитывающий соотношение компонентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

Изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг. 1 представлено схематично строение радиопоглощающего покрытия. На чертеже обозначены: 1 - металлическая подложка; 2 - первый, второй, третий слои радиопоглощающего материала; 3 - первый корректирующий слой радиопоглощающего материала; 4 - последующие слои радиопоглощающего материала; 5 - второй корректирующий слой радиопоглощающего материала.

На фиг. 2 представлены графики зависимости требуемого (расчетного) "А" и измеренного "Б" значений коэффициента поглощения ЭМВ радиопоглощающего покрытия от количества слоев радиопоглощающего материала.

На фиг. 3 представлена структурная схема устройства для измерения коэффициента отражения ЭМВ. На схеме обозначены: 6 - СВЧ генератор, 7 - циркулятор, 8 - полупроводниковый выключатель на p-i-n диоде, 9 - детектор, 10 - отрезок волновода, 11 - излучатель в виде секториального рупора, 12 - низкочастотный блок измерения и управления, 13 - жидкокристаллический индикатор.

На фиг. 4 представлена структурная схема устройства для дистанционного измерения отражательных свойств объектов в СВЧ диапазоне радиоволн. На этой схеме обозначены: 14 - СВЧ генератор, 15 - частотный модулятор, 16 - делитель мощности, 17 - смеситель, 18 - циркулятор, 19 - приемопередающая антенна, 20 - усилитель, 21 - аналого-цифровой преобразователь, 22 - вычислитель, 23 - первая видеокамера, 24 - вторая видеокамера, 25 - лазерный целеуказатель, 26 - синхронизатор, 27 - видеоконтрольное устройство, 28 - юстировочные площадки, 29 - исследуемый объект, 30 - радиопоглощающие элементы.

На фиг. 5 представлено схематично устройство перемещения облучателя приемопередающей параболической зеркальной антенны. На схеме обозначены: 31 - параболическое зеркало; 32 - волновод; 33 - гофрированная секция; 34 - облучатель; 35 - привод; 36 - тяга привода.

На фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма управления перемещением облучателя приемопередающей параболической зеркальной антенны.

Конструктивно радиопоглощающее покрытие (фиг. 1) включает отражающую ЭМВ поверхность 1, на которую последовательно нанесены слои радиопоглощающего материала, содержащего в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Этот материал выбран благодаря его высоким адгезионным свойствам, дешевизне и доступности ингредиентов, простоте приготовления. Размеры частиц магнитного наполнителя определяются частотным диапазоном подавляемого СВЧ излучения, а соотношение ингредиентов - требуемой величиной коэффициента поглощения ЭМВ радиопоглощающим покрытием [15]. Слои в радиопоглощающем покрытии могут быть однородными (2, 4) или различными по составу ингредиентов (3, 5). Количество слоев определяется из условия получения требуемой величины коэффициента поглощения ЭМВ радиопоглощающего покрытия K_п согласно следующему соотношению:
K_п = K_э•N,
где K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

Эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ K_э учитывает соотношение компонентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала. Так, при определенных технологических условиях (воздушное распыление композиции с помощью краскопульта, температурные режимы процесса напыления, влажность воздуха и т.п.) и, например, при соотношении в композиции синтетического клея "Элатон" на основе латекса и порошкообразного феррита или карбонильного железа 50:50 K_э = 0,53, а при соотношении 20: 80 K_э = 0,26. Введение в конструкцию радиопоглощающего покрытия слоев (например, 3, 5), отличающихся составом ингредиентов радиопоглощающего материала, обусловлено следующим обстоятельством. Расчетная зависимость Кп от количества слоев радиопоглощающего материала имеет плавную огибающую, как показано на фиг. 2 (гистограмма "А"). Практически величина коэффициента поглощения ЭМВ (гистограмма "Б") может не совпадать с расчетной величиной по многим причинам: разброс размеров частиц магнитного наполнителя в композиции, неравномерность толщины слоя при его нанесении, отклонения от технологических условий получения покрытия и т.д. Для "подтягивания" величины реального K_п до его расчетного значения предназначены корректирующие слои радиопоглощающего материала 3, 5. Например, на фиг. 1 корректирующий слой 3 показан условно четвертым, считая от металлической подложки 1. На фиг. 2 показано, что измеренное значение K_п покрытия, состоящего из трех слоев (гистограмма "Б"), меньше его расчетной величины (гистограмма "А"). Подбором соотношения ингредиентов в композиции радиопоглощающего материала формируют и вводят в покрытие корректирующий слой 3, который уравнивает измеренную и расчетную величины K_п четырех первых слоев покрытия. В приведенном примере (фиг. 2) радиопоглощающее покрытие содержит также 11-й и 19-й корректирующие слои радиопоглощающего материала. Таким образом, благодаря введению корректирующих слоев радиопоглощающего материала, представляется возможным получать тонкое, порядка 1 мм, радиопоглощающее покрытие с заданными (расчетными) свойствами.

Оно работает следующим образом. За счет резистивных свойств материала часть энергии падающего СВЧ излучения поглощается путем преобразования в энергию теплового движения молекул материала. Каждая частица магнитного наполнителя окружена тонким слоем диэлектрика и поэтому работает как элементарный точечный переизлучатель с широкой диаграммой направленности. Поскольку частицы ориентированы в толще материала случайным образом, то и диаграммы направленности переизлучения также ориентированы случайным образом. В результате в направлении, обратном приходу падающего СВЧ излучения, переизлучается незначительная часть энергии. При этом угол падения ЭМВ слабо влияет на диаграмму направленности переизлучения. Кроме того, заявленное покрытие проявляет слабо выраженные интерференционные свойства при падении СВЧ излучения в направлении, близком к нормальному. При определенных толщине покрытия и подборе электрических и диэлектрических параметров слоев можно обеспечить фазовый сдвиг падающих и отраженных металлической подложкой ЭМВ на π/2, вследствие чего они будут ослабляться, складываясь в противофазе.

Способ получения радиопоглощающего покрытия и управления его свойствами заключается в следующем. Радиопоглощающий материал, содержащий в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80, приготавливают в механическом смесителе путем перемешивания ингредиентов. В зависимости от количественного содержания ингредиентов время перемешивания составляет 7 - 15 минут, после чего смеситель переводят в режим подмешивания, при котором скорость вращения мешалки уменьшают на 75% от номинальной. Так как локальные сгустки и разрежения частиц магнитного наполнителя в смеси в целом снижают коэффициент поглощения материала, то перед нанесением композиции проводят контроль степени ее однородности, от которой зависит расчетная величина коэффициента поглощения. Для этого порцию композиции наносят тонким слоем (0,7 - 1 мм) на дно плоской кюветы и накрывают радиопрозрачным несмачиваемым материалом - лавсановой пленкой. Измерения коэффициента поглощения производят, как правило, в девяти точках поверхности слоя поверх лавсановой пленки (в центре, углах и у кромок) с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 3.

Устройство содержит СВЧ генератор 6, выход которого соединен с первым плечом циркулятора 7, второе плечо которого соединено с полупроводниковым выключателем на p-i-n диоде 8, а третье плечо - с детектором 9. Полупроводниковый выключатель 8 установлен в одном конце отрезка волновода 10, другой конец которого снабжен излучателем 11, выполненным в виде легкосъемного секториального рупора. Телесный угол (θ) раскрыва секториального рупора 11 определяется углом, под которым требуется облучать поверхность исследуемого материала. Так, для облучения по нормали θ ≈ 20^o, под углом 45^o θ = 0, а под углом 70^o θ ≈ -30^o. Выход детектора 9 подключен к низкочастотному (НЧ) блоку измерения и управления 12. Этот блок представляет собой вычислительное устройство на базе микропроцессора с постоянным и оперативным запоминающими устройствами и внешним интерфейсом ввода-вывода. Управляющие выходы блока 12 подключены к управляющим входам СВЧ генератора 1 и полупроводникового выключателя 8, а информационный выход - к жидкокристаллическому индикатору 13. Работой всех элементов устройства управляет микропроцессор по программе, заложенной в его память.

Измерение модуля коэффициента поглощения (|K_п|) осуществляется автоматически по алгоритму, хранящемуся в памяти постоянного запоминающего устройства в блоке 12, в соответствии с формулой

При включенном блоке питания раскрыв излучателя 11 прижимают к поверхности исследуемого материала. При этом полупроводниковый выключатель 8 под действием управляющего сигнала от микропроцессора находится в режиме запирания (закорачивания) волновода 10. Нажатием кнопки "Пуск" на панели НЧ блока 12 оператор начинает процесс измерения |K_п|. Радиоизлучение, генерируемое СВЧ генератором 6, поступает в первое плечо циркулятора 7, выходит из его второго плеча и попадает в отрезок волновода 10. Поскольку полупроводниковый выключатель на p-i-n диоде 8 находится в режиме запирания волновода, то радиосигнал отражается от него практически без потерь энергии, возвращается во второе плечо циркулятора 7 и через третье его плечо попадает на детектор 9. С выхода детектора 9 снимается НЧ сигнал, пропорциональный мощности падающего радиоизлучения P_пад. Этот сигнал нормируется и преобразуется в цифровую форму и запоминается в оперативном запоминающем устройстве блока 12. Затем по команде микропроцессора полупроводниковый выключатель 8 переводится в режим передачи. При этом радиоизлучение, пройдя отрезок волновода 10, попадает на поверхность испытуемого материала под углом, определяемым параметрами секториального рупора 11. Потеряв часть энергии, поглощенной материалом, радиосигнал отражается, возвращается во второе плечо циркулятора 7 и через его третье плечо попадает на детектор 9. На его выходе формируется НЧ сигнал, пропорциональный мощности отраженного сигнала P_отр. После нормировки и преобразования в цифровую форму он запоминается в оперативном запоминающем устройстве блока 12. После этого микропроцессор вычисляет |K_п| по приведенной выше формуле, значение которого высвечивается на жидкокристаллическом индикаторе 13. Процесс измерения коэффициента поглощения слоем "мокрого" радиопоглощающего материала в кювете в одной точке занимает не более 2 - 3 с [15].

О степени однородности композиции и, следовательно, готовности ее к использованию судят по величине дисперсии Д измеренного коэффициента поглощения, которая для нормально приготовленной смеси должна удовлетворять условию

Если полученное значение дисперсии выходит за эти пределы, то анализируют причины, приготавливают новую композицию и аналогичным образом контролируют ее свойства до получения требуемых значений параметров смеси.

После этого формируют радиопоглощающее покрытие на электропроводящей поверхности защищаемого объекта путем последовательного нанесения один на другой слоев радиопоглощающего материала. Нанесение композиции производят с помощью, например, воздушного краскораспылителя для нанесения лакокрасочных материалов (ЛКМ) с условной вязкостью до 50 с. Каждый слой наносят методом решетки, не допуская подтеков и образования капель. Толщина слоя 30-40 мкм, время просушивания слоя - 10 мин при температуре 12 - 35^oC и влажности воздуха не более 80%.

После нанесения 3 - 4 слоев измеряют величину коэффициента поглощения ЭМВ полученного радиопоглощающего покрытия с помощью описанного выше устройства и сравнивают ее с расчетным значением коэффициента поглощения K_п, который определяется из следующего соотношения:
K_п = K_э•N,
где K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ, учитывающий соотношение компонентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

При необходимости, путем шлифовки поверхности верхнего слоя или нанесения на него дополнительного, так называемого корректировочного слоя (позиция 3 на фиг. 1), добиваются равенства величин измеренного и расчетного коэффициентов поглощения для данного количества слоев радиопоглощающего покрытия (совмещения гистограмм, соответственно, "Б" и "А" на фиг. 2). Затем наносят следующие три-четыре слоя радиопоглощающего материала, измеряют величину полученного радиопоглощающего покрытия, сравнивают ее с величиной расчетного коэффициента поглощения для данного количества слоев с учетом параметров корректирующего слоя и, при необходимости, аналогичным образом добиваются равенства этих величин и т.д. В зависимости от характера расхождения величин измеренного и расчетного коэффициентов поглощения в процессе формирования радиопоглощающего покрытия радиопоглощающий материал корректировочных слоев может отличаться от предыдущих и последующих по отношению к ним слоев как количественным соотношением ингредиентов, так и размерами частиц магнитного наполнителя. Нанесение слоев радиопоглощающего материала заканчивают при достижении равенства величины измеренного коэффициента поглощения заданному значению по техническим условиям на радиопоглощающее покрытие.

Таким образом, заявленный способ позволяет управлять свойствами радиопоглощающего покрытия в процессе его формирования, что существенно повышает точность получения продукции с заданными параметрами.

Для измерения величины коэффициента поглощения и управления свойствами радиопоглощающего покрытия в процессе его нанесения на поверхности сложной конфигурации, а также своевременного выявления локальных дефектов наносимого покрытия используют устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в СВЧ диапазоне радиоволн.

Это устройство (фиг. 4) содержит последовательно включенные СВЧ генератор 14, делитель мощности 16, первый выход которого соединен с первым входом смесителя 17, а второй выход - с первым плечом циркулятора 18. Его второе плечо соединено с первым входом приемопередающей антенны 19, а третье плечо - с вторым входом смесителя 17, к выходу которого подключены последовательно включенные усилитель 20 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, выход которого подключен к первому входу вычислителя 22. Второй вход вычислителя 22 соединен с выходом первой видеокамеры 23, третий вход - с выходом второй видеокамеры 24. Первый и второй выходы вычислителя 22 соединены с входами соответственно первой 23 и второй 24 видеокамер, третий его выход - с входом лазерного целеуказателя 25, четвертый его выход - с входом синхронизатора 26, пятый его выход - с видеоконтрольным устройством (ВКУ) 27, шестой выход - с вторым входом приемопередающей антенны 19. Первый выход синхронизатора 26 подключен ко второму входу АЦП 21, а второй выход - к входу частотного модулятора 15, выход которого соединен с входом СВЧ генератора 14. Вторая видеокамера 27 установлена так, что ее оптическая ось в процессе измерений находится в плоскости, перпендикулярной оптической оси приемопередающей антенны, и направлена на исследуемый объект 29 (на фиг. 4 показано условно пунктирными линиями). В качестве приемопередающей антенны 19 использована параболическая зеркальная антенна, при этом параболическое зеркало, первая видеокамера 23 и лазерный целеуказатель 25 при помощи юстированных площадок 28 жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы. Антенна смонтирована, например, на переносной (перевозимой) стойке с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту [16].

Облучатель антенны выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения соосно ее оптической оси, что обеспечивает регулировку (фокусировку) размеров пятна на "освещаемой" ею поверхности. Устройство перемещения облучателя антенны может быть выполнено, например, следующим образом (фиг. 5). Жестко связанный с параболическим зеркалом 31 волновод 32 вторым концом соединен через гофрированную секцию 33 с облучателем 34. Первый конец волновода 32, являющийся первым входом приемопередающей антенны 19, соединен со вторым плечом циркулятора 18. На волноводе 32 жестко закреплен привод 35, в качестве которого использован шаговый электродвигатель. Его исполнительный орган через тягу 36 связан с облучателем 34, а управляющий вход, являющийся вторым входом приемопередающей антенны 19, соединен с шестым выходом вычислителя 22.

Радиопоглощающие элементы 30 выполнены в виде выполненных на гибкой основе матов, ковриков, штор, куполо- и конусообразных колпаков, на поверхностях которых смонтирован отражающий электромагнитные волны экран, например, металлическая сетка. На этот экран последовательно нанесены слои радиопоглощающего материала, включающего в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас. %: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Количество слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения радиопоглощающего покрытия Кп согласно следующему соотношению:
K_п = K_э•N,
где K_э - эмпирический коэффициент поглощения ЭМВ, учитывающий соотношение компонентов наносимого радиопоглощающего материала и технологические условия нанесения этого материала;
N - количество слоев радиопоглощающего материала.

Радиопоглощающие элементы 30 размещаются на поверхности земли возле исследуемого объекта 29, близлежащих предметах, крепежных деталях или подставках под объектом, на самом объекте (например, с целью исключить отражение от определенного участка поверхности) для максимального ослабления мешающих переизлучений. Радиопоглощающие элементы 30 располагают также рядом с приемопередающей антенной 19 с целью ослабления влияния ее боковых лепестков диаграммы направленности.

Описанное устройство обеспечивает измерения величин коэффициента поглощения радиопоглощающего покрытия под различными ракурсами с привязкой результатов измерений к элементам конструкции объекта. Это позволяет осуществлять селекцию блестящих точек, их выделение на объекте и формирование с помощью вычислителя радиопортрета объекта как совокупности блестящих точек его поверхности [16]. Исследуемый объект 29 устанавливают на расчетном расстоянии от приемопередающей антенны 19, производят согласование координатных систем исследуемого объекта и устройства. При этом определяются и запоминаются координаты характерных элементов объекта (центр тяжести, строительная ось, ось симметрии, отдельные детали конструкции и т.п.) относительно начала системы координат, в которых работает устройство.

Устройство работает следующим образом (фиг. 4). СВЧ генератор 14 работает в непрерывном режиме и генерирует напряжение определенной несущей частоты f₀. Под действием частотного модулятора 2 эта частота периодически изменяется по пилообразному закону от f₀ до f_n, где f_n = f₀ + F_1...n. Таким образом, на выходе СВЧ генератора 14 формируется медленно изменяющийся линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал. Диапазон перестройки частоты определяется заданной разрешающей способностью определения дальности до локальных точек рассеяния на поверхности исследуемого объекта. Эти параметры ЛЧМ сигнала задаются синхронизатором 26 по программе, хранящейся в ПЗУ вычислителя 22. Частотный модулятор 15 может быть выполнен, например, в виде счетчика импульсов с интегратором, который обнуляется после накопления определенного количества импульсов, поступивших с синхронизатора 26. Пилообразное напряжение с выхода частотного модулятора 15 подается в СВЧ генератор на варикап, изменяя по пилообразному закону его емкость и, соответственно, частоту генерации. С выхода СВЧ генератора 14 ЛЧМ сигнал подается на делитель мощности 16, с первого выхода которого одна часть его поступает в смеситель 17 в качестве гетеродинного сигнала, а вторая часть со второго выхода - в первое плечо циркулятора 18 и далее через второе его плечо - в приемопередающую антенну 19. Отраженный от поверхности исследуемого объекта 30 сигнал возвращается в приемопередающую антенну 19, проходит во второе плечо циркулятора 18 и выходит из его третьего плеча, попадая в смеситель 17. Этот сигнал сдвинут относительно излученного (гетеродинного) сигнала на определенное время и, соответственно, по частоте. На выходе смесителя 17 формируется сигнал промежуточной частоты, значение которой пропорционально дальности до точки отражения на поверхности объекта. Это обусловлено тем, что каждому значению дальности в пространстве соответствует определенное значение частоты модуляции ЛЧМ сигнала. Пространству, занимаемому исследуемым объектом 29, соответствует определенный диапазон изменения частоты ЛЧМ сигнала. Благодаря этому обеспечивается разрешение блестящих точек по дальности на поверхности объекта.

После усиления в усилителе 20 сигнал промежуточной частоты подается в АЦП 21, где он квантуется по уровням амплитуды с частотой, задаваемой синхронизатором 26. В качестве АЦП 21 могут быть использованы, например, два 8-разрядных АЦП типа К1107 ПВ4 с частотой дискретизации 100 МГц, что обеспечивает работу в режиме реального времени. На выходе АЦП 21 формируется ступенчато изменяющееся напряжение в виде дискретных временных отсчетов, характеризующих амплитуду принятого сигнала. Это напряжение подается в вычислитель 22. С помощью клавиатуры или манипулятора типа мышь оператор вводит в вычислитель 22 параметры ракурса облучаемой точки на поверхности объекта относительно устройства (приемопередающей антенны 19): азимут, угол места, высоту, дальность, а также азимут антенны, угол места антенны, высоту установки антенны.

В вычислителе 22 по известным правилам [16] осуществляется корреляционная обработка сигналов по алгоритмам, хранящимся в постоянном запоминающем устройстве. В частности, осуществляется совмещение полученных частотных отсчетов с оптическим изображением объекта, которое в цифровой форме поступает от первой 23 и второй 24 видеокамер. Эти видеокамеры создают изображения, соответственно, фронтальной и ортогональной ей боковой проекций исследуемого объекта 29. На обеих проекциях в одной и той же точке поверхности объекта индицируется видимое (в красном цвете) пятно от луча лазерного целеуказателя 25. Это лазерное пятно находится в центре пятна от радиолуча в результате юстировки оптических осей приемопередающей антенны 19, первой видеокамеры 23 и лазерного целеуказателя 25. Сравнивая изображения ортогональных проекций объекта, можно легко определить координаты лазерного пятна и, следовательно, идентифицировать полученные частотные отсчеты, т. е. привязать частотные отсчеты к соответствующим элементам рассеяния (блестящим точкам) на поверхности объекта.

Вычислитель 22 по разработанному авторами алгоритму формирует сигнал, пропорциональный эффективной площади рассеяния (ЭПР) или коэффициенту поглощения (отражения) участка поверхности объекта, ограниченного пятном от радиолуча, а также вычисляет параметры сигнала данного элемента разрешения (амплитуду, азимут, угол места, дальность, высоту). Эта информация запоминается, одновременно индицируется на ВКУ (дисплее) 27, и оператор может идентифицировать соответствующий частотный отсчет с определенной точкой, маркируемой лазерным пятном на поверхности объекта. При одном и том же ракурсе облучения объекта оператор, изменяя азимут, угол места, высоту установки приемопередающей антенны, последовательно "просматривает" интересующие участки поверхности объекта, контролируя перемещение радиолуча по местоположению лазерного пятна. Затем приемопередающая антенна переставляется, объект облучается под новым ракурсом, процесс измерений повторяется. Накопленная информация о параметрах сигналов, полученных при различных ракурсах облучения объекта, подвергается в вычислителе 22 совместной корреляционной обработке, в результате чего формируется многомерный сигнал, характеризующий закон поведения каждой блестящей точки в зависимости от изменения ракурса облучения объекта. Программа отображения результатов измерений обеспечивает высвечивание на ВКУ (дисплее) 27 данных, которые могут быть представлены в виде, например, графика: дальность - ЭПР; трехмерного изображения в координатах: дальность - угол места - ЭПР (для определенного азимута) и т.п.

Для более точного измерения параметров радиопоглощающего покрытия как в процессе его нанесения на поверхность объекта, так и готового, а также выявления в нем локальных дефектов или блестящих точек, линейные размеры которых относительно малы, в устройстве предусмотрен режим "узкого луча". Этот режим позволяет уменьшить пространственный элемент разрешения и рассмотреть более мелкие детали. Он реализуется блоком управления в вычислителе 22 по алгоритму, блок-схема которого представлена на фиг. 6. Управление перемещением облучателя антенны 34 (фиг. 5) осуществляется следующим образом. В соответствии с решаемой задачей оператор производит предварительные измерения в режиме прожекторного луча. На экране ВКУ 27 он выделяет зону (зоны), в которой (которых) требуется более детальное рассмотрение участка радиопоглощающего покрытия на поверхности объекта. Наложением маркера на выделенную точку, на которую требуется сфокусировать луч, оператор автоматически задает значение дальности до нее. Вычислитель 22 пересчитывает эту дальность по таблице, хранящейся в его памяти, в число шагов для шагового мотора и формирует соответствующий управляющий сигнал, который подается на шаговый мотор 35. Отработав заданное число шагов, шаговый мотор 35 посредством тяги 36 перемещает облучатель (рупор) 34 параболического зеркала 31 соосно его оптической оси так, чтобы луч был сфокусирован на заданном расстоянии. После этого производятся измерения. Если необходимость в фокусировке отпадает, то облучатель 34 возвращается в исходное положение (режим "прожекторного луча").

Использование заявленного изобретения позволяет получать высококачественное радиопоглощающее покрытие за счет проведения объективного инструментального контроля на всех стадиях его получения, что снижает влияние человеческого фактора и ошибок технологии на достижение оптимальных, в том числе весогабаритных, характеристик при нанесении на защищаемый объект.

Источники информации
1. Советская военная энциклопедия. - М.: Воениздат, 1979, т. 7, с. 15-16.

2. FR N 2736754, 1997, кл. H 01 Q 17/00.

3. FR N 2737347, 1997, кл. H 01 Q 17/00.

4. US N 3754255, 1973, кл. H 01 Q 17/00, нац. кл. 343/18A.

5. EP N 0600387, 1994, кл. H 01 Q 17/00.

6. EP N 0828313, 1998, кл. H 01 Q 17/00.

7. EP N 0689262, 1995, кл. H 01 Q 17/00.

8. EP N 0694987, 1996, кл. H 01 Q 17/00.

9. RU N 2006999, 1994, кл. H 01 Q 17/00, F 41 H 3/00.

10. СССР N 1786567 1993, кл. H 01 Q 17/00.

11. US N 5627541, 1997, кл. H 01 Q 17/00, нац. кл. 342-1.

12. RU N 2119216, 1998, кл. H 01 Q 17/00.

13. US N 4173018, 1979, кл. H 01 Q, нац. кл. 343/18A.

14. US N 5764181, 1998, кл. H 01 Q 17/00, нац. кл. 342/4.

15. RU N 2107705, 1998, кл. C 09 D 5/32, C 08 K 3/10.

16. RU N 2111506, 1998, кл. G 01 S 13/00.

Реферат

Изобретение относится к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ) в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для уменьшения радиолокационной видимости объектов различного назначения и конфигурации. Техническим результатом является простота изготовления, легкость, высокие радиопоглощающие свойства. Радиопоглощающее покрытие выполнено в виде слоев радиопоглощающего материала, первый из которых нанесен на отражающую электромагнитные волны поверхность, а остальные нанесены последовательно один на другой, при этом количество слоев радиопоглощающего материала определяется требуемой величиной коэффициента поглощения покрытия. Радиопоглощающий материл, из которого выполнены слои покрытия, включает в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Способ получения радиопоглощающего покрытия и управления его свойствами включает нанесение на металлическую подложку первых трех - четырех слоев указанного радиопоглощающего материала с определенным соотношением ингредиентов, измерение величины коэффициента поглощения полученного радиопоглощающего покрытия, сравнение ее с расчетной величиной для данного количества слоев радиопоглощающего материала с данным соотношением ингредиентов. Если величина измеренного коэффициента поглощения превышает расчетную, то удаляют часть верхнего слоя радиопоглощающего материала до получения величины требуемого коэффициента поглощения, а если меньше расчетной, то приготавливают порцию радиопоглощающего материала с соотношением ингредиентов, обеспечивающим при нанесении требуемую величину коэффициента поглощения. Операцию повторяют, нанося такое количество слоев радиопоглощающего материала, которое обеспечивает получение заданного коэффициента поглощения всего радиопоглощающего покрытия в целом. Устройство для дистанционного измерения отражательных свойств покрытий на объектах в СВЧ диапазоне радиоволн содержит СВЧ генератор, смеситель, усилитель, приемопередающую параболическую зеркальную антенну с облучателем, лазерный целеуказатель, первую и вторую видеокамеры, видеоконтрольное устройство, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, вычислитель, радиопоглощающие элементы. Радиопоглощающие элементы выполнены в виде гибких матов, ковриков, штор, куполо- и конусообразных колпаков, на поверхностях которых смонтирован отражающий электромагнитные волны экран, например металлическая сетка, на который нанесено описанное радиопоглощающее покрытие. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула