Отражение, рассеяние и переизлучение радиоволн объектами (целями)
 Скачать 1.11 Mb.
|
|
ОТРАЖЕНИЕ, РАССЕЯНИЕ И ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЕ РАДИОВОЛН ОБЪЕКТАМИ (ЦЕЛЯМИ) В основе активной локации лежит явление отражения электромагнитных волн (ЭМВ) от неоднородностей и препятствий (объектов). При этом под неоднородностями или препятствиями понимают области пространства, существенно отличающиеся своими электрическими и магнитными свойствами от среды распространения электромагнитной волны. ЭМВ, падающая на объект, вызывает вынужденные колебания свободных и связанных зарядов, синхронные с колебаниями падающей волны. В результате энергия ЭМВ, падающей на объект, рассеивается во всех направлениях, в т.ч. и в направлении к РЛС. Приходящая в точку приема переизлученная волна представляет собой отраженный целью сигнал. Интенсивность принятых сигналов зависит от расстояния до целей, их геометрических размеров, конфигурации отражающих поверхностей. Для количественной оценки интенсивности вторичного излучения целей вводят понятие эффективной площади рассеяния. Знание характеристик вторичного излучения имеет важное значение для расчета параметров РЛС и определения их возможностей по обнаружению различных типов целей. Характеристики радиолокационных целей Вторичным (пассивным) называют излучение, происходящее вследствие рассеяния энергии ЭМВ неоднородностями (препятствиями, объектами). Падающую на препятствие волну называют первичной, а отраженную, или рассеянную, − вторичной. Препятствие, от которого отражается ЭМВ, называется пассивным вторичным излучателем. Вторичное излучение радиоволн наблюдается в том случае, когда на пути распространения радиоволн располагается неоднородность (объект, препятствие) с другими, чем у среды, параметрами: ε − электрической и μ − магнитной проницаемостями. При этом волновое сопротивление объекта не равно волновому сопротивлению среды: Поле вторичного излучения определяется: - параметрами первичной (падающей) волны - параметрами вторичного излучателя. К первым относятся, например, длина волны и поляризация ЭМВ. Ко вторым – μ, ε, размеры и форма объекта, его ориентация относительно фронта (поверхности равных фаз) падающей волны. Очень важным является отношение линейных размеров вторичного излучателя к длине падающей волны. Это отношение влияет как на характер поля вторичного излучения, так и на его интенсивность. По принципу формирования структуры отраженного сигнала радиолокационные цели делятся на сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенной называется цель, линейные размеры которой малы по сравнению с размерами разрешаемого объема. Среди сосредоточенных целей различают одиночные и групповые. Групповая цель состоит из двух и более независимых вторичных излучателей. Распределенные цели имеют размеры, превышающие размеры разрешаемого объема. Эффективная площадь рассеяния целей Отражающие свойства целей характеризуются термином «эффективная площадь рассеяния» (ЭПР). Рассмотрим физическую сущность этого показателя. Пусть в свободном пространстве расположены РЛС и облучаемая цель. Расстояние от РЛС до цели rц, плотности потоков мощности первичной волны в точке цели Пц и вторичной волны в точке приема Ппр считаются известными. Заменим цель воображаемым ненаправленным вторичным излучателем, который рассеивает всю падающую на него мощность равномерно и в точке приема создает такую же плотность потока мощности, что и реальная цель, т.е. Ппр. К расчету ЭПР цели Тогда суммарная мощность, рассеиваемая введенным излучателем: Отношение этой мощности к плотности потока мощности первичной волны у цели называется ЭПР: Таким образом, под ЭПР понимают площадь воображаемого вторичного излучателя, равномерно рассеивающего всю падающую на него мощность и создающего в точке приема такую же плотность потока мощности, что и реальная цель. Выразив Ппр и Пц через квадраты амплитуд соответствующих полей, можно записать следующее: Величина σц не зависит от дальности до цели rц, так как величина Ппр при заданной Пц обратно пропорциональна величине rц2. Напряжение на входе приемника РЛС Uпр = k · Епр, поэтому при фиксированном расстоянии rц = r0: Отсюда следует, что отношение мощностей сигналов, принятых от двух различных целей, находящихся на одной дальности, соответствует отношению их ЭПР: Это соотношение используется при расчете ЭПР реальных целей. При этом сравниваются мощности сигналов, принимаемых от цели, и эталонного образца: Зависимость величины ЭПР от угла поворота цели относительно направления на РЛС ЭПР цели существенно зависит от ориентации цели относительно направления на РЛС. Зависимость величины ЭПР от угла поворота цели относительно направления на РЛС называется диаграммой обратного вторичного излучения, т.е. σц = σц(θ). В общем случае σц = σц (β, ε), поскольку реальная цель может менять свою ориентацию относительно РЛС в двух плоскостях. Факторы, определяющие ЭПР: 1. Электрические и магнитные свойства материала цели. ЭПР (σц) тем больше, чем больше отличаются ε и μ цели от соответствующих параметров окружающей среды. 2. Характер поверхности цели. Если неровности на поверхности цели Δh удовлетворяют условию: где θ − угол падения радиоволны (РВ), то отражение носит зеркальный характер. В остальных случаях оно является диффузным. 3. Относительные размеры цели, которые определяются отношением ее линейного размера ℓ к длине волны λ: ℓ/λ. Таким образом, количественно отражательные свойства целей оценивают их ЭПР, которая зависит от электрических и магнитных свойств материала цели, характера поверхности цели и её относительных размеров. ЭПР различных объектов Расчет ЭПР сосредоточенных вторичных излучателей сводится к решению двух задач. Первая задача состоит в отыскании наведенных токов по заданному полю первичной волны, вторая задача заключается в нахождении поля вторичного излучения по найденному распределению наведенных токов. Вторую задачу часто решают, рассматривая каждый элемент поверхности, на которую падает ЭМВ, как элементарный вторичный источник. К результирующему полю вторичной волны применяется принцип суперпозиции волн. ЭПР тел, малых по сравнению с длиной волны. Для таких тел ℓ/λ << l, простейшей моделью является тонкий провод с пластинками на концах. Она представляет элементарный вибратор с емкостным сопротивлением. ЭПР такого вибратора: где k − коэффициент пропорциональности, т. е. σ << ℓ2. ЭПР тела, малого по сравнению с длиной волны, не зависит от формы тела. ЭПР целей, сравнимых с длиной волны: ℓ/λ ≈ 1. Простейшим примером такой цели является полуволновой вибратор. При равенстве длины вибратора целому числу полуволн наступает резонанс наведенного тока. Поэтому зависимость σ от величины ℓ/λ носит резонансный характер. Для резонансного случая, когда длина вибратора ℓ=λ/2: Модель полуволнового вибратора Зависимость σ от величины ℓ/λ для полуволнового вибратора ЭПР полуволнового вибратора при резонансе значительно превышает его геометрическую площадь. Полуволновой вибратор является антенной направленного действия с диаграммой направленности (ДН): Эта диаграмма оказывает влияние как при приеме ЭМВ, так и при ее излучении. Ориентация вибратора в пространстве может быть произвольной. Поэтому вводят понятие средней ЭПР, которая при равновероятном расположении вибратора в пространстве равна: Полуволновые вибраторы используют для создания пассивных помех. Если в разрешаемом объеме находится n полуволновых вибраторов, то ЭПР помехи: Таким образом, особенностями вторичного излучения в рассмотренном случае являются: резонансный характер вторичного излучения, обусловленный резонансом наведенных токов и зависимость σц от ориентации тела относительно фронта волны, а также поляризации колебаний. ЭПР радиолокационных целей, размеры которых превышают длину волны l/λ >> 1. Размеры аэродинамических целей, как правило, намного превышают длину волны облучаемых электромагнитных колебаний. ЭПР таких целей рассмотрим на примере выпуклых и плоских поверхностей. ЭПР шара. Рассечем поверхность шара плоскостями, равноудаленными друг от друга на λ/4. Поверхность разобьется на ряд круговых колец, называемых зонами Френеля. Каждая зона по отношению к соседней является противофазным источником вторичного излучения. Суммарная напряженность поля вторичного излучения при большом числе зон (т. е. при R >> λ) стремится к постоянной величине, определяемой первой зоной Френеля. К определению ЭПР шара Зависимость ЭПР шара от отношения R/λ Область локализации вторичного излучения на поверхности цели («светящийся» элемент поверхности), которой в рассматриваемом случае является первая зона Френеля, называется «блестящей» точкой. Независимость ЭПР от длины волны и наличие «блестящих» точек характерно не только для металлического шара, но и для любых тел с обращенной к РЛС выпуклой проводящей поверхностью (параболоид, эллипсоид и т.д.), радиус кривизны которой намного больше длины волны. При R >>λ ЭПР шара Металлическая пластина. Вторичное излучение пластины является направленным. Максимальное значение ЭПР пластина имеет тогда, когда она ориентирована перпендикулярно направлению облучения. В этом случае величина ЭПР пластины Металлическая пластина что гораздо больше геометрической площади S. Ширина ДН (рад) обратного вторичного излучения определяется размером соответствующей стороны пластины: «Блестящие» точки (четыре) расположены у краев пластины. Групповой излучатель. Реальную цель можно рассматривать как вторичный групповой излучатель, состоящий из совокупности элементарных излучателей. Для выявления особенностей вторичного излучения в этом случае рассмотрим ЭПР простейшего группового излучателя, состоящего из двух элементарных излучателей. Пусть расстояние между одиночными излучателями равно ℓ, а расстояние их от РЛС соответственно r1 и r2. Если обозначить напряженности полей в точке приема, обусловленные отражением от первого и второго излучателей, через E1 и E2, то результирующее поле определится их геометрической суммой: К определению ЭПР простейшего группового излучателя где – разность фаз, обусловленная разностью хода волн. ЭПР группового излучателя зависит как от ЭПР элементарных излучателей, так и от взаимного их расположения относительно фронта волн. Если элементарные излучатели имеют одинаковую ЭПР, то: Нули диаграммы вторичного излучения σ(θ) соответствуют направлениям, где вторичные волны приходят в противофазе, а максимумы – где волны складываются в фазе. Чем больше ℓ/λ, тем сильнее проявляется интерференционный характер зависимости σ(θ). Диаграммы обратного вторичного излучения группового излучателя В общем случае, когда цель представляет собой совокупность n элементарных излучателей, получим: Для некоторых тел простейшей формы возможен электродинамический расчет ЭПР. Для реальных целей применяют лишь статистический подход к оценке ЭПР или ее экспериментальное получение. ЭПР реальных целей Большинство реальных целей, в т. ч. аэродинамических (самолеты и т.д.) и космических (головки баллистических ракет, искусственные спутники), имеют размеры, значительно превышающие длину волны современных РЛС. Выпуклые и плоские участки проводящей поверхности целей создают обычно большое число «блестящих» точек, вторичное излучение которых взаимодействует друг с другом. Поэтому диаграммы обратного вторичного излучения реальных сосредоточенных целей, как и групповых целей, имеют многолепестковый изрезанный характер. Диаграммы обратного вторичного излучения самолета при облучении его ЗС: а – в диапазоне метровых волн, б – в сантиметровом диапазоне волн Ширина лепестков пропорциональна отношению линейных размеров цели к длине волны. Вследствие этого диаграмма обратного вторичного излучения самолета при облучении его ЗС в диапазоне метровых волн существенно отличается от диаграммы вторичного излучения, снятой в сантиметровом диапазоне волн. Реальные цели можно представить в виде комбинации «блестящих» точек, гладких и шероховатых поверхностей и большого числа элементарных отражателей. ЭПР таких целей имеет сложный характер, изменяется от ракурса цели и оценивается статистическими характеристиками (например, средним значением). Измеряют ЭПР обычно в натурных экспериментах или на моделях. Задача 1. Наземная РЛС обнаруживает цель на дальности rц=300 км. При этом она излучает в пространство сигнал мощностью Ри=106 Вт и принимает отраженный от цели сигнал антенной с ЭПР 10 м2, мощностью Рпр=10-16 Вт. Определить ЭПР цели. Задача 2. Найти количество искусственных полуволновых отражателей, необходимое для подавления РЛС, наблюдающей бомбардировщик с σц = 20 м2 при длине волны λ = 3 см; 10 см. Исходить из условия равенства суммарной эффективной отражающей площади диполей и ЭПР самолета (рассмотреть случай, когда ЭПР диполя максимальна). Задача 3. Определить ЭПР полуволнового вибратора, облучаемого под углом 60о от нормали, если длина волны РЛС λ = 10 см. Задача 4. Найти радиус шара и сторону квадратной пластины, имеющих ЭПР σц = 12 м2 при λ = 3 см. Задача 5. Цель представляет собой два одинаковых изотропных точечных переизлучателя, расположенных на неотражающей штанге длиной ℓ = 1м. Найти максимальное значение ЭПР такой цели, если один переизлучатель имеет σ0 = 1 м2. Задача 6. Для условия задачи 5 найти значения углов θ, при которых эта цель будет иметь наибольшую и наименьшую ЭПР при λ = 0,5 м. |