Основи радіолокації

Зворотне вторинне випромінення випуклих об’єктів (релеєвське розсіяння, розсіяння Мі)

Одним з явищ, на використанні яких ґрунтуються теорія та практика радіолокації, є вторинне випромінення об’єктів, які є радіолокаційними цілями. Воно полягає в тому, що об’єкт, до якого досягла електромагнітна хвиля, розсіює її на всі сторони, тобто сам стає джерелом випромінення. У випадку однопозиційної (суміщеної, моностатичної) радіолокації інтерес представляє та частина розсіяної хвилі, яка направляється від об’єкта в сторону радіолокатора, тобто у напрямку, зворотному до напрямку її надходження. Таким чином, в даному випадку говорять про зворотне вторинне випромінення об’єкту.

Інтенсивність зворотного вторинного випромінення відноситься до числа параметрів системи „радіолокатор – ціль“, які визначають ефективність радіолокатора. Зокрема, від цього параметра суттєво залежить дальність виявлення цілі. Для кількісного оцінювання інтенсивності зворотного вторинного випромінення цілі використовується значення її ефективної площі вторинного випромінення. Однак, крім даних про ефективну площу вторинного випромінення цілі необхідно знати як відбувається розсіяння електромагнітної хвилі на різних об’єктах. Це дає можливість інтерпретувати результати роботи радіолокаторів, що працюють в різних діапазонах частот.

Більшість радіолокаційних цілей мають складну форму, до складу якої можуть входити різноманітні геометричні об’єкти: випуклі ділянки поверхні, різноманітні злами та кромки, порожнини і тому подібне. Розсіяння хвиль на кожному з цих об’єктів має свій механізм. З прийнятною для інженерних задач точністю можна стверджувати, що основний внесок у зворотне вторинне випромінення вносить розсіяння на гладких випуклих ділянках поверхні цілі. Найпростішим прикладом таких ділянок є сфера. Розсіяння хвилі на сфері є модельною задачею, яка має точне рішення.

На Рисунку 1 наведено графік залежності ефективної площі вторинного випромінення σ сфери від значення відношення її радіусу r до довжини падаючої на неї хвилі λ. На графіку можливо виокремити три ділянки, в межах кожної з яких ефективна площа вторинного випромінення сфери має свій характер.

Оптична ділянка відповідає ситуації, коли радіус сфери помітно більший за довжину хвилі: (2π·r/λ);>10. На цій ділянці ефективна площа вторинного випромінення сфери практично не залежить від довжини хвилі і визначається таким співвідношенням:

Рисунок 2. Затримка у часі повзучої хвилі відносно прямої відбитої хвилі

Рисунок 2. Затримка у часі повзучої хвилі відносно прямої відбитої хвилі

Справедливість цього співвідношення порушується, коли довжина хвилі стає сумірною із довжиною окружності сфери, тобто при λ ≈ 2·π·r. В цьому випадку зворотне вторинне випромінення утворюється за рахунок взаємодії хвилі, відбитої передньою (по відношенню до радіолокатора) частиною сфери та хвилі, що обігнула сферу (так званої повзучої хвилі). Результат цієї взаємодії визначається різницею фаз прямої та повзучої хвиль. Із зміненням довжини хвилі ця різниця фаз змінюється і залежність ефективної площі вторинного випромінення сфери має осцилюючий характер, що добре видно на рисунку. Найбільше її значення (точка А) на цій ділянці в чотири рази більша, а найменше (точка В) – в чотири рази менше ніж значення для оптичної ділянки. Виходячи з осцилюючого характеру залежності ефективної площі вторинного випромінення від довжини хвилі, цю ділянку називають резонансним діапазоном або ділянкою розсіяння Мі, за ім’ям німецького вченого, який отримав рішення відповідної задачі електродинаміки.

Для прикладу розглянемо у якості розсіювача сферу радіусом 1 (один) метр. Для такої сфери резонансний характер розсіяння настає при частоті зондування 95 МГц, а сталий характер розсіяння (оптичні ділянка) настає при частоті 950 МГц і вище.

Ділянка, де радіус сфери менше за довжину зондувальної хвилі, називають ділянкою „релеєвського розсіяння“, за ім’ям британського вченого лорда Релея, який встановив залежність інтенсивності розсіяного світла від довжини хвилі. На цій ділянці значення ефективної площі вторинного випромінення визначається формулою:

Типовим прикладом роботи в діапазоні релеєвського розсіяння є метеорологічні радіолокатори.

Діапазон хвиль, що відповідає розсіянню Мі (резонансному), для радіолокаційних систем протиповітряної оборони та управління повітряним рухом досягає нижніх меж L-діапазону. На частотах вище за 1 ГГц розсіяння має, переважно, оптичний характер.

Радіолокатори метрового діапазону розробки колишнього Радянського Союзу мають робочий діапазон 145 … 175 МГц, що відповідає другому максимуму на ділянці резонансного розсіяння (над точкою В на Рисунку 1) для геометричних розмірів літака-винищувача.