Расчет эффективной поверхности рассеяния малых объектов
Эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) тела — это параметр, который показывает соотношение плотности мощности отраженной и падающей на цель мощности. Зная мощность излучения и это соотношение, можно определить мощность сигнала, вернувшегося в приемник РЛС.
В литературе имеются многочисленные данные по ЭПР крупных объектов: машин, самолетов, кораблей, но в разделе для малых объектов (например, беспилотников) указывается, что ЭПР близка к нулю. Для нового поколения радаров ставится задача обнаружения таких объектов для предупреждения поражения ими вертолета или самолета. Поэтому точное определение ЭПР малых объектов позволит конструировать радары для средств предупреждения нападения и защиты от него, а также для информирования о приближении нежелательных дронов, несущих камеры или опасные предметы на охраняемую территорию.
В статье рассматриваются малые объекты, поверхность рассеяния которых существенно меньше 1 кв. м. Статья не претендует на полноту описания всех малых летательных аппаратов и поражающих предметов стрелкового и реактивного оружия, но в каждом классе будет рассмотрен типичный образец для проведения расчетов и анализа его видимости в двух основных радиодиапазонах X и Ku (10 ГГц и 16 ГГц) при различных ракурсах наблюдения и поляризации. В статье рассмотрены следующие поражающие предметы: пули АКМ и бронебойная Б‑32, граната подствольного гранатомета РПГ, баллистический оперенный подкалиберный снаряд БОПС, а также беспилотные летательные аппараты: квадрокоптер Phantom3 и беспилотный самолет RQ‑11 Raven.
ЭПР используется в основном уравнении радиолокации для определения потенциала радара, то есть дальности обнаружения объектов. В связи с неопределенностью рабочей частоты и типа поляризации радиосигнала целесообразно провести расчеты для двух перспективных диапазонов радиоволн X и Ku. Отражение от цели как результат решения электродинамической задачи зависит от геометрии цели, ракурса наблюдения из точки расположения антенны радара, длины волны и типа используемой поляризации. Если условие наблюдения за целью заранее неизвестно, целесообразно для полноты информации решать задачи отражения для двух ортогональных поляризаций. Эти данные позволят в последующем выбрать оптимальную поляризацию, исходя из свойств рассеяния пеленгуемого объекта и условий распространения радиоволн. Например, для цели на фоне неба можно работать как с линейной, так и с круговой поляризацией, а для цели над земной поверхностью и на фоне лесного массива лучшие результаты будут достигнуты для линейной вертикально поляризованной волны.
Данные по ЭПР необходимы для выполнения расчетов обнаружения цели по основному уравнению радиолокации, в котором кроме таких параметров радиоаппаратуры, как мощность передатчика и усиление антенны, необходимо знать статистические величины: ЭПР и отношение сигнал/шум. Соотношение сигнал/шум определяет такие свойства радара, как вероятность ложных тревог и правильных обнаружений, а главное, определяет дальность обнаружения. При этом ЭПР является статистической функцией, меняющейся от угла наблюдения, и определяется формой цели и отражающими свойствами ее поверхности. Будем считать, что рассматриваемые в статье объекты, состоящие из металлических и диэлектрических деталей, не имеют покрытий, снижающих радиолокационную заметность.
Аналитически ЭПР σ можно рассчитать только для самых простых геометрических фигур. Соотношения для расчета σ простых тел в случае λ 2 . Например, для металлической сферы радиусом 5 мм по формуле (1) получается значение –41 дБм 2 , а полноволновый расчет в Х‑диапазоне дает существенно другую величину –35,5 дБм2. Объекты, у которых размеры неизвестны, обмеряются экспериментально, для этого требуется специализированный измерительный стенд. В зависимости от размеров объекта это делается либо в безэховой камере, либо в свободном пространстве на открытых полигонах. Для сложных тел, у которых известны размеры и диэлектрические свойства составляющих деталей, успешно используются численные компьютерные методы.
Рис. 1. ЭПР (в дБм 2 ) пули АКМ в Х-диапазоне для горизонтальной поляризации (а) и ее эскиз (б)
На рис. 1 приведены результаты расчета ЭПР пули АКМ в главном сечении трехмерной диаграммы рассеяния. Для полноты предоставления поляризационной информации цель облучается плоской Е‑волной с двумя ортогональными компонентами сферической системы координат Е‑Phi и Е‑Theta. По круговой диаграмме можно определить ЭПР в носовом и боковом направлении, то есть в направлении вдоль линии полета и в перпендикулярном. Можно найти максимальное и минимальное значения в диапазоне углов 0–360°, но для последующего использования в уравнении радиолокации интерес представляет усредненное значение, для чего в программе EXCEL создается массив из 360 отсчетов и находятся их среднеарифметическое и медианное значения.
Обнаружение малых объектов является наиболее сложной проблемой при реализации радара. Для работы с малыми целями целесообразно использовать РЛС со сложным когерентным широкополосным сигналом со скважностью q = 5 и устройство обработки с когерентным накоплением результатов зондирования, что позволяет обеспечить обнаружение пули при малой средней мощности. При этом приемопередатчик может быть твердотельным.
Рассмотрим РЛС, работающую в Ku-диапазоне волн (l = 2 см) с импульсной мощностью Римп = 20 Вт, и определим ее способность запеленговать пулю калибром 7,62 мм. Для этих исходных данных можно рассчитать минимальную мощность Pmin, обнаруживаемую приемником РЛС, для передатчика с мощностью Римп, предполагая, что РЛС должна обнаруживать объект диаметром d = 7,62 мм на расстоянии около R = 200 м при коэффициенте усиления антенны G = 23 дБ, соответствующем ширине диаграммы направленности 4×30°.
Минимальная мощность обнаруживаемого сигнала в приемном тракте РЛС (пороговая чувствительность) определяется из выражения [1]:
Для определения требуемой мощности передатчика в рассматриваемом случае Римп необходимо учитывать ЭПР пули. Диаграмма обратного рассеяния объекта в зависимости от угла наблюдения обрабатывается и усредняется как статистическая функция. В табл. 1 приводятся среднее арифметическое σср значение ЭПР для двух линейных типов поляризации. Медианное значение σмпримерно в 1,5 раза меньше среднего арифметического σср. Эти значения требуются для расчета потенциала радара по флуктуационным моделям Сверлинга [2].
| σ = | 4π r 2 Sr | r — радиус эквивалентного рассеивателя Sr — плотность потока мощности падающей волны в точке нахождения цели St — плотность потока мощности рассеянной волны у антенны радиолокатора. | (1) |
| St |
Ниже, в Таблице 1, приведены формулы для расчета ЭПР некоторых объектов простой формы. Формулы получены для случаев, когда длина волны λ радиолокатора намного меньше характерного размера цели, а поверхность объекта является идеально проводящей.
 формула для расчета ЭПР сферы радиуса R |
| |||||||||||||||||||||
 формула для расчета ЭПР цилиндра длины h с радиусом основания r |
| |||||||||||||||||||||
 формула для расчета ЭПР прямоугольной пластины со сторонами b и h , расположенной перпендикулярно направлению зондирования. |
| |||||||||||||||||||||
 | Таблица 1: Формулы для расчета ЭПР некоторых объектов простой формы
Рисунок 3: Круговая диаграмма ЭПР самолета типа бомбардировщик для длины волны от 3 до 5 м
Рисунок 3: Круговая диаграмма ЭПР самолета типа бомбардировщик для длины волны от 3 до 5 м На последнем рисунке Таблицы 1 изображена ситуация, когда плоская пластина располагается под углом к направлению зондирования. В данной ситуации рассеянная таким объектом ЭМВ практически не отражается в направлении радиолокатора и, следовательно, его ЭПР будет иметь малые значения. Именно такой метод снижения радиолокационной заметности применен в самолете F-117 (Рисунок 2), поверхность которого составлена из большого количества наклонных пластин. Эти пластины ориентированы таким образом, чтобы при падении на них ЭМВ из передней полусферы (оттуда, где, как правило, находятся средства противовоздушной обороны противника) отраженные волны направлялись бы в заднюю полусферу. Для обнаружения подобных целей более эффективным является использование бистатических радиолокационных систем, в которых передающие и приемные пункты разнесены в пространстве. ЭПР точечных целейГеометрические размеры РЛЦ большинства типов не превышают размеров импульсного объема радиолокатора, предназначенного для их обнаружения. Цели, имеющие такие размеры, называют точечными. ЭПР таких целей определяется взаимодействием ЭМВ, отраженных от так называемых «блестящих» точек. «Блестящими» точками называют элементы поверхности цели, которые при заданных условиях наблюдения (длина волны радиолокатора, ракурс зондирования) вносят наибольший вклад в рассеянное объектом поле, а значит и в ЭПР. В зависимости от взаимного расположения «блестящих» точек, а также направления наблюдения, отраженные ими волны могут иметь различные фазовые соотношения: от синфазного (тогда интенсивность результирующего отражения возрастает) до противофазного (интенсивность отражения уменьшается). Именно этот эффект определяет осциллирующий характер ЭПР в зависимости от ракурса наблюдения, при этом круговая диаграмма ЭПР имеет изрезанный характер (см. Рисунок 3).
Таблица 2: ЭПР точечных целей Следует отметить, что быстрота осцилляции ЭПР в зависимости от угла наблюдения определяется соотношением между длиной волны радиолокатора и характерными размерами цели: чем меньше длина волны по сравнению с размерами цели, тем сильнее осцилляция ЭПР (Рисунок 3). Учитывая значительные колебания величины ЭПР, в некоторых случаях оказывается удобным представлять ее значения в логарифмическом масштабе, например, в децибелах (дБ) относительно единичной площади (1 м²). В Таблице 2 приведены значения ЭПР (в квадратных метрах и в децибелах) некоторых типовых РЛЦ для «Х»-диапазона. Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко Источник |
