Основи на радиолокацията

Обратно вторично излъчване на изпъкнали обекти (разсейване на Рейли, разсейване на Мие)

Едно от явленията, на които се основават теорията и практиката на радарите, е вторичното излъчване на обекти, които са радарни цели. Тя се състои в това, че обектът, до който е достигнала електромагнитната вълна, я разпръсква във всички посоки, т.е. сам се превръща в източник на излъчване. Когато се разглежда свързано (еднопозиционно, моностатично) радиолокационно определяне, интерес представлява частта от разсеяната вълна, която е насочена от обекта към радара, т.е. в посока, обратна на посоката на пристигане. Следователно в този случай става дума за обратно вторично излъчване на обекта.

Интензивността на обратното вторично излъчване е сред параметрите на системата радар-цел, които определят ефективността на радара. По-специално, този параметър оказва значително влияние върху обхвата на откриване на целта. Ефективната площ на разсейване на целта се използва за количествено определяне на интензивността на вторичното обратно разсейване. В допълнение към данните за ефективната площ на разсейване на дадена цел обаче е необходимо да се знае как електромагнитната вълна се разсейва върху различни обекти. Това дава възможност за интерпретиране на резултатите от радарите в различни честотни ленти.

Повечето радарни цели имат сложна форма, която може да включва различни геометрични обекти: изпъкнали повърхности, различни пречупвания и ръбове, кухини и други подобни. Разсейването на вълните върху всеки от тези обекти има свой собствен механизъм. С точност, приемлива за инженерни цели, може да се каже, че основният принос за обратното вторично излъчване ще бъде разсейването върху гладки изпъкнали области на целевата повърхност. Най-простият пример за такава област е сферата. Разсейването на вълни върху сфера е моделна задача, която има точно решение.

На изображение 1 е показана графиката на ефективната площ на разсейване σ на сфера като функция на отношението на нейния радиус r към дължината на вълната λ, която пада върху нея. Графиката може да бъде разделена на три части, всяка от които има свой собствен характер на ефективната площ на разсейване на сферата. Оптичният чертеж съответства на ситуацията, при която радиусът на сферата е значително по-голям от дължината на вълната: (2π·r/λ);>10. В тази област ефективната площ на разсейване на сферата практически не зависи от дължината на вълната и се определя от следната зависимост:

Изображение 2: Забавяне във времето на циркулиращата вълна спрямо директно отразената вълна

Изображение 2: Забавяне във времето на циркулиращата вълна спрямо директно отразената вълна

Тази зависимост се нарушава, когато дължината на вълната стане съизмерима с обиколката на сферата, т.е. когато λ ≈ 2·π·r. В този случай задното вторично излъчване се получава от взаимодействието на вълната, отразена от предната част (спрямо радара) на сферата, и вълната, преминаваща през сферата (пълзяща вълна). Резултатът от това взаимодействие се определя от фазовата разлика между пряката и пълзящата вълна. Тази фазова разлика се променя с дължината на вълната и зависимостта на ефективната площ на разсейване на сферата е осцилираща функция, както се вижда на фигурата. Най-високата стойност (точка А) е четири пъти по-висока от стойността в този раздел, а най-ниската (точка Б) е четири пъти по-висока от стойността в оптичния раздел. Колебливият характер на зависимостта на ефективната област на разсейване от дължината на вълната кара тази област да се нарича резонансна област или област на разсейване на Мие, по името на немския учен, който решава съответния електродинамичен проблем.

Като пример, разгледайте сфера с радиус един метър като разсейвател. За такава сфера резонансният характер на разсейването се проявява при честота на звучене 95 MHz, а стационарният характер на разсейването (оптично сечение) се проявява при честота 950 MHz и повече.

Областта, в която радиусът на сферата е по-малък от дължината на звуковата вълна, се нарича област на «разсейване на Рейли», наречена на името на британския учен лорд Рейли, който установява зависимостта на интензитета на разсеяната светлина от дължината на вълната. В този раздел стойността на ефективната площ на разсейване се определя по формулата:

Метеорологичните радари са типичен пример за работа в диапазона на разсейване на Рейли.

Вълновата лента, съответстваща на Миевото (резонансно) разсейване за радарните системи за въздушна отбрана и контрол на въздушното движение, достига долните граници на честотната лента L. При честоти над 1 GHz разсейването е предимно оптично.

Радарите в метровия диапазон, разработени от бившия Съветски съюз, имат работен обхват от 145 … 175 MHz, който съответства на втория максимум в резонансната област на разсейване (над точка В на фигура 1) за геометричните размери на изтребител.