Основи на радиолокацията

Ефективната отразяваща повърхност

Способността на една радарна цел да отразява падащата върху нея електромагнитна енергия се характеризира с ефективната площ на разсейване (σ), понякога се нарича и ефективна отразяваща повърхност. Единицата за измерване на този параметър е квадратен метър (м²). Английското наименование е Radar Cross Section, което се превръща в често използваното съкращение RCS.

Определение.

Ефективната площ на разсейване се отнася до площта на еквивалентен изотропен разсейвател, който, когато е поставен на мястото на целта, създава същата плътност на потока на мощността върху отвора на приемната антена като действителната цел. По този начин ефективната площ на разсейване е абстракция, модел, който обаче дава възможност да се оцени отражателната способност на радарната цел. Очевидно е, че ефективната площ на разсейване може да се използва и за оценка на радарната видимост на дадена цел.

Стойността на ефективната площ на разсейване се влияе от много фактори, основните от които са следните:

• Размерът и геометричната форма на целта;
• Ъгъл на видимост на мишената, който определя коя част от повърхността на мишената се облъчва от сондиращата електромагнитна вълна.
• Работната честота на радара, или по-точно съотношението между дължината на вълната на локатора и характерните размери на целта.
• Електрическите свойства на материала, от който е направена целевата структура.

Влиянието на тези фактори е комплексно и затова те трябва да се разглеждат заедно.

Изображение 2. Самолет F-117, създаден с технология за намаляване на въздействието на радара «Stealth»

F-117 е проектиран с помощта на технологията за намаляване на радарния интензитет «Stealth». Конструктивните му характеристики и свойствата на нанесените покрития осигуряват ниски стойности на ефективната площ на разсейване за сантиметрови дължини на вълните, които се използват от радарите на зенитно-ракетните (артилерийските) комплекси. Въпреки това радарите с дължина на вълната от един метър (П-12 « Енисей » и П-18 « Терек ») успешно откриват такива самолети. Тази ситуация се прояви на практика по време на бойните операции в бивша Югославия (1999 г.).

Изчисляване на ефективната площ на разсейване

Аналитични изрази за изчисляване на ефективността на разсейване могат да бъдат получени само за ограничен набор от цели с прости форми на повърхността. Повечето радарни цели имат сложна геометрична повърхност и за определяне на ефективната им площ на разсейване се използват физически измервания, както и физически или математически методи за моделиране.

На Изображение 1 е показана експериментално получена кръгова диаграма на ефективната площ на разсейване на самолет B–26 при 3 GHz (по данни на Сколник). Първоначалният математически израз за изчисляване на ефективната площ на разсейване в случай на комбинирано приемане (местоположение на едно място) може да бъде представен под формата:

Тъй като плътността на мощността, генерирана от радарния предавател и пристигаща в точката на отражение, се поставя в съотношение с отразената плътност на мощността, която пристига обратно в радара, всички други влияния, като затихване на свободното пространство и разстояние до радара, се елиминират в това уравнение. Приема се, че за моностатичен радар условията на разпространение по пътя на излъчване и по пътя на връщане са едни и същи.

Формулите за изчисляване на ефективната площ на разсейване на някои обекти с проста форма са дадени в таблица 1 по-долу. Формулите са изведени, когато дължината на вълната на радара λ е много по-малка от характерния размер на целта и повърхността на обекта е идеално проводима.

формула за изчисляване на ефективната площ на разсейване на сфера с радиус r	σmax = π r2 (2)
формула за изчисляване на ефективната площ на разсейване от цилиндър с дължина h и радиус на основата r	σmax = 2π r h2 (3) λ
формула за изчисляване на ефективната площ на разсейване на правоъгълна плоча със страни b и h, перпендикулярни на посоката на сондиране.	σmax = 4π b2 h2 (4) λ2

Таблица 1: Формули за изчисляване на ефективната площ на разсейване на някои обекти с проста форма

Изображение 3: Диаграма на ефективната площ на разсейване на самолет бомбардировач за дължина на вълната от 3 до 5 м

Изображение 3: Диаграма на ефективната площ на разсейване на самолет бомбардировач за дължина на вълната от 3 до 5 м

Последната Изображение в таблица 1 показва ситуацията, когато плоска плоча е поставена под ъгъл спрямо посоката на сондиране. В тази ситуация сондиращата електромагнитна вълна, разсеяна от такъв обект, на практика не се отразява в посоката на радара и следователно неговата ефективна площ на разсейване ще има малки стойности. Това е методът, използван за намаляване на радиолокационната следа на F-117 (Изображение 2), чиято повърхност е съставена от голям брой наклонени плочи. Тези плочи са ориентирани така, че когато в тях попадне сондираща електромагнитна вълна от предната полусфера (където обикновено се намира противовъздушната отбрана на противника), отразените вълни се насочват към задната полусфера.

Бистатичните радарни системи, при които предавателните и приемните точки са на разстояние една от друга, са по-ефективни за откриване на такива цели.

Ефективна площ на разсейване на точкови цели

Геометричните размери на повечето видове радиолокационни цели не надвишават размера на импулсния обем на радара, предназначен за тяхното откриване. Мишените с тези размери се наричат точкови мишени. Ефективната площ на разсейване на такива мишени се определя от взаимодействието на сондиращата електромагнитна вълна, отразена от така наречените «блестящи» точки. «Блестящи точки» са елементите на повърхността на целта, които при дадени условия на наблюдение (дължина на вълната на радара, ъгъл на сондиране) допринасят най-много за полето на разсеяния обект и по този начин за ефективната площ на разсейване. В зависимост от взаимното разположение на «светещите» точки и посоката на наблюдение отразените от тях вълни могат да имат различни фазови отношения: от инфазни (тогава интензитетът на полученото отражение се увеличава) до антифазни (интензитетът на отражението намалява). Именно този ефект определя осцилиращия характер на полето на разсейване в зависимост от ъгъла на наблюдение с кръгова диаграма на полето на разсейване (вж. Изображение 3).

Обърнете внимание, че бързината на колебанията на ефективната площ на разсейване като функция на ъгъла на наблюдение се определя от съотношението между дължината на вълната на радара и характерния размер на целта: колкото по-малка е дължината на вълната в сравнение с размера на целта, толкова по-големи са колебанията на ефективната площ на разсейване (Изображение 3).

Предвид голямата вариация на ефективната площ на разсейване понякога е удобно тя да се представи в логаритмична скала, например в децибели (дБ) на единица площ (1 м²).

В таблица 2 е показана ефективната площ на разсейване (в квадратни метри и в децибели) на някои типични радарни цели за диапазона «Х».