Радиоэлектронная маскировка

Размещено на http://www.allbest.ru/

113

Контрольная работа

РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ МАСКИРОВКА



Содержание

1. Методы радиоэлектронной маскировки

1.1 Общие положения

1.2 Пассивные помехи

1.3 Ложные цели и ловушки

1.4 Снижение заметности объектов

1.5 Маскировка объектов

2. Радиолокационные характеристики объектов

2.1 Рассеянное поле

2.2 Теневое рассеянное поле

2.3 «Черное» тело

2.4 Эффективная площадь рассеяния

2.5 Интегральный поперечник рассеяния

2.6 Интегральный поперечник поглощения

3. ЭПР тел простой формы

3.1 ЭПР металлической сферы (шара)

3.2 ЭПР плоских тел

3.3 ЭПР металлического диска

3.4 ЭПР прямоугольной пластины

3.5 ЭПР конуса

3.6 ЭПР цилиндра

4. Искусственные радиолокационные отражатели

4.1 Общие понятия

4.2 Двугранный уголковый отражатель

4.3 Трехгранный уголковый отражатель

4.4 Линзовые отражатели

4.5 Отражатели-антенны

4.6 Усилители - ретрансляторы

5. Особенности радиоэлектронного подавления некогерентных импульсных РЛС обнаружения целей пассивными помехами

5.1 Общие положения

5.2 Дипольные отражатели

5.3 Эффективная площадь рассеяния полуволнового диполя

5.4 Общее выражение ЭПР импульсного объема

5.5 Методы расчета ЭПР импульсного объема

6. Особенности радиоэлектронного подавления когерентных импульсных РЛС обнаружения целей пассивными радиопомехами

7. Особенности радиоэлектронного подавления РЛС автоматического сопровождения целей пассивными радиопомехами

8. Маскировка объектов с помощью ложных целей и ловушек

8.1 Ложные цели

8.2 Радиолокационные ловушки

9. Противорадиолокационная маскировка

9.1 Методы противорадиолокационной маскировки объектов

9.2 Снижение ЭПР путем выбора формы отражающего объекта

9.3 Противорадиолокационные покрытия

9.4 Интерференционные покрытия

9.5 Поглощающие (градиентные) покрытия

9.6 Неотражающие структуры

9.7 Покрытия на эффекте полного прохождения волны во вторую среду

9.8 Малозаметный самолет типа "Стелс"

Литература



1. Методы радиоэлектронной маскировки

1.1 Общие положения

Радиоэлектронная маскировка - это комплекс технических и организационных мероприятий, направленных на снижение эффективности средств радио-, радиотехнической и радиолокационной разведок противника [20]. Она применяется для снижения заметности объектов средствами радиоэлектронных разведок различных классов и назначений [19].

Можно выделить три основных источника электромагнитного излучения (ЭМИ), наличие которых позволяет приемникам средств разведки обнаружить и выделить на фоне помех сигналы, создаваемые разведываемыми объектами в разных частотных диапазонах:

1. Электромагнитные поля радиоэлектронных систем и средств (РЭС), расположенных на объекте. Их излучение подразделяется на основное, попадающее в рабочую полосу частот и в главный лепесток диаграммы направленности передающей антенны (ДН), и побочное - излучение на частотах вне спектра передаваемого сигнала и в боковых лепестках ДН. Кроме основного и побочного излучения радиопередающих устройств через передающие антенны, происходит и несанкционированное излучение РЭС. Несанкционированное излучение возникает в процессе работы радиоприемных устройств (прежде всего, через излучение гетеродинов), вычислительных систем, информационных систем типа кабельных линий связи и передачи данных [19].

2. Электромагнитное излучение объектов, возникающее за счет рассеяния энергии падающих радиоволн, создаваемых внешним по отношению к самому объекту излучателем (радиолокационной станцией, например).

Электромагнитное излучение, возникающее в результате взаимодействия движущегося объекта с внешней средой. Так образуется свечение (излучение в видимой части спектра электромагнитных волн) плазмы в зоне ударной волны уплотнения, которую создает перед собой летательный аппарат в атмосфере. Нагревание поверхности летательного аппарата, из-за трения о воздух, сопровождается низкочастотным излучением ИК-диапазона и радиодиапазона. Эти излучения позволяют обнаруживать объекты средствами инфракрасной и радиотепловой разведки. Трение корпуса о воздух и трение газов, выбрасываемых в процессе сгорания топлива из реактивных двигателей, приводит к электризации корпуса летательного аппарата (ЛА).

Приведенные демаскирующие факторы и определяют основные направления и средства радиоэлектронной маскировки объектов.

Поскольку прием радиосигналов всегда производится на фоне помех той или иной интенсивности, в условиях изменения параметров среды распространения и действия других непредсказуемых факторов, то в качестве характеристики заметности объектов используют вероятность обнаружения сигнала системами разведки. Это условная вероятность правильного решения о наличии сигнала на входе приемника при условии, что этот сигнал действительно присутствует.

1.2 Пассивные помехи

В этой связи одним из основных маскирующих средств является постановка маскирующих и имитирующих помех, создающих ложную информацию системам целераспределения, наведения и самонаведения. Это, как правило, пассивные помехи, нетребующие применения передатчиков помех.

Пассивные помехи [20] _ это сигналы, поступающие на вход РЭС противника в виде электромагнитных полей, рассеянных естественными или искусственными отражателями. Любое тело с электрическими параметрами, отличными от параметров окружающей среды, является отражателями электромагнитных волн. Все облучаемые РЛС объекты, кроме цели, являются источником рассеянных электромагнитных полей, создающих пассивные помехи. Интенсивность рассеяния волн зависит от размеров, конфигурации объекта и электрических свойств материала, из которого он изготовлен. Различают естественные и искусственные помехи. Естественные помехи создаются электромагнитными полями, рассеянными земной поверхностью (для низколетящих воздушных целей, наземных и надводных целей), неоднородностями атмосферы (например, метеоосадками), различного рода строениями и другими непреднамеренными образованиями. Искусственные помехи возникают за счет полей рассеяния преднамеренно созданными различного рода отражателями: дипольными, уголковыми, линзовыми, а также искусственными ионизированными и аэрозольными образованиями.

Пассивные помехи могут создаваться только тем РЭС, которые обнаруживают цели по рассеянным ими электромагнитным волнам [19].

Создаваемые пассивные помехи (ЭМП, рассеянные искусственными объектами и отражающими средами) могут практически не отличаться от электромагнитных полей, рассеянных реальными целями (ракетами, танками, самолетами, кораблями). Рассеянные множеством отражателей, они могут вызывать засветку различных частей экранов приемника разведывательных РЭС и маскировать на их фоне реальные цели. Ложные отметки существенно затрудняют наблюдение и распознавание реальных целей и нарушают работу автоматических систем передачи данных и управления. При большом количестве и близком расположении ложных целей их изображения сливаются, образуя на экране индикатора светящееся пятно, которое маскируют данные об истинных целях.

Наиболее распространенным средством создания пассивных помех ещё со времен Второй мировой войны являются дипольные отражатели (ДО).

Пассивные помехи образуют маскирующий фон и в этом смысле они аналогичны шумовым помехам.

1.3 Ложные цели и ловушки

К эффективным средствам РЭБ относятся и так называемые ложные цели и ловушки [20], предназначенные для имитации реальных защищаемых объектов.

Они, как правило, выпускаются при преодолении ПВО противника с летательных аппаратов или с земли. При этом достигаются следующие результаты:

· дезориентация операторов РЛС и перегрузка вычислительных устройств контура (системы обработки информации);

· увеличение времени на опознавание образа цели (определение истинных целей);

· отвлечение ударных средств ПВО (истребителей, ракет) на поражение ложных целей.

Ложная цель [19] представляет собой устройство, имитирующее рассеивающие свойства реальных объектов, подлежащих противорадиолокационной маскировке. Они создают на экране приемника радиоразведки (например, РЛС) такие же отметки, что и реальная цель, и служат для их маскировки, противодействуя РЭС обнаружения и целеуказания. В качестве ложных целей используют, как правило, радиолокационные отражатели, обладающие повышенными рассеивающими (электромагнитные волны) свойствами (уголковые и линзовые отражатели, как одиночные, так и в составе групп, например, решетки Ван-Атта).

Ложные цели, предназначенные для срыва автосопровождения цели и головки самонаведения ракет [20], называются ловушками. Ложные цели и радиолокационные ловушки могут функционировать, как за счет пассивных отражателей, так и активных ретрансляторов. Кроме того, на них зачастую устанавливаются и передатчики помех, в этом случае создаваемые ими помехи будут уже активными. Эффективность ложных целей может быть оценена снижением вероятности поражения прикрываемых самолетов.

1.4 Снижение заметности объектов

Важнейшим направлением маскировки считается снижение заметности объектов, то есть уменьшение вторичного (отраженного, рассеянного) излучения радиолокационных целей, которое не связано с работой собственных РЭС маскируемых объектов, а возникает за счет взаимодействия объектов с полями радиолокационных станций противника. Методы снижения отраженного сигнала иначе называются методами уменьшения эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР). Уменьшения ЭПР осуществляют в настоящее время двумя основными способами, применяемыми как порознь, так и совместно (как правило, в авиации): во-первых - за счет выбора малоотражающей формы радиолокационной цели, во-вторых _ применением специальных поглощающих электромагнитные волны противорадиолокационных покрытий.

1.5 Маскировка объектов

Для маскировки объектов могут также применяться целенаправленные воздействия на среду распространения электромагнитных волн, в результате которого одна часть энергии электромагнитного поля может преобразовываться в кинетическую энергию движущихся заряженных частиц, а другая часть _ рассеиваться элементами модифицированной среды распространения сигнала по направлениям, отличным от направлений на РЭС разведки.

Из всего многообразия средств радиопротиводействия (РПД) можно выделить следующие виды пассивных (не требующие применения передатчиков) помех:

· пассивные помехи;

· ложные цели и ловушки;

· противорадиолокационная маскировка;

· средства, изменяющие электрические свойства среды.

В конечном итоге эффективность описанных пассивных средств радиомаскировки оценивается их характеристиками рассеяния.



2. Радиолокационные характеристики объектов

2.1 Рассеянное поле

Рассеяние электромагнитных волн различными телами (рис. 1) [31] обусловлено возникновением в них под действием внешнего поля (,) индуцированных свободных (на проводниках) и связанных (в диэлектриках) электрических зарядов, которые в нестационарном случае (в случае переменных во времени процессов) приводят к появлению переменных токов, и как следствие, рассеянного электромагнитного поля (,). При проведении измерений ЭМП фиксируют полное поле:

; . (1)

Рассеянное поле (,) можно определить либо расчетным путем, либо экспериментально. Экспериментальное определение рассеянного поля возможно следующим образом:

1) облучением тела короткими радио (или видео) импульсами с последующей селекцией отраженного сигнала по времени его прихода к приемной антенне;

2) использованием направленных антенн в приемной и передающей частях измерительного стенда, обеспечивающих необходимый для требуемой точности измерений уровень развязки;

3) использование эффекта Доплера при измерениях (измерение рассеянного поля от движущегося объекта);

4) использование при измерении методов компенсации первичного поля (падающей волны). В этом случае вначале проводят измерения падающего поля (полного поля в отсутствии объекта - фона), а затем из полного поля, измеренного в присутствии объекта, вычитают ранее измеренное падающее поле

; .

Каждый из указанных методов позволяет произвести измерения рассеянного поля с той или иной степенью точности. Точность измерений обусловлена в большой степени совершенством используемой аппаратуры.

2.2 Теневое рассеянное поле

В радиолокации в рассеянном поле принято выделять так называемую теневую составляющую (тенеобразующее рассеянное поле) [31]. Это поле характерно для тел больших электрических размеров (характерный размер которых значительно превышает длину волны падающего поля). В этом случае за телом (в направлении противоположном направлению падения волны) возникает тень той или иной интенсивности _ чем больше поперечный размер тела, тем с большей точностью в этом направлении можно положить

,

то есть можно считать, что в зоне тела существует теневое рассеянное поле равное, но противоположное по фазе падающей волне

.(2)

Таким образом, рассеянное поле (,) можно представить в виде суперпозиции двух полей: теневого (,) рассеянного поля (2) и собственного рассеянного поля (,)

; . (3)

Для больших по сравнению с л тел собственное рассеянное поле ,, как правило, является определяющим в передней полусфере и практически отсутствует вблизи направления =р, в то время как теневое поле Ert, наоборот, концентрируется в задней полусфере вблизи направления =р и практически отсутствует в передней полусфере. Иными словами, рассеянные и теневые поля больших тел чаще всего разнесены в пространстве. Если же размеры рассеивающего тела сравнимы с длиной волны или меньше её, то указанные поля уже так явно не разделены в пространстве, а интерферируют друг с другом.

2.3 «Черное» тело

Реальные рассеивающие тела (особенно СТЕЛС_объекты) не только рассеивают электромагнитные поля, но и поглощают. Под стелс-технологиями теперь подразумевают [33] комплекс технических решений, в результате которых уменьшается уровень сигналов, поступающих от военного объекта на приемные системы, пытающиеся объект обнаружить и уничтожить. Эти сигналы переносятся акустическими и электромагнитными волнами в широком спектре частот. Задача стелс-технологии заключается в максимально возможном уменьшении радиолокационной заметности объекта. Стелс-технология включает в себя следующие основные направления: теорию дифракции на сложных телах, разработку и исследование радиопоглощающих материалов, технологию нанесения покрытий и, наконец, радиофизический эксперимент, используемый для контроля в каждом из перечисленных направлений.

Очевидно, что чем сильнее поглощает электромагнитную энергию тело, тем меньше оно рассеивает. Для оценки потенциально достижимых уровней поглощения и рассеяния волн в радиолокационных отражателях и объектах вводят понятие абсолютно черного тела. Современные радиопоглощающие материалы по своим свойствам весьма близки к идеально поглощающим, по крайней мере, в ограниченной полосе частот и секторе углов [34]. Для описания свойств отражателей, как правило, используются параметры установившегося режима или параметры в частотной области [31].

Согласно определению [35], «черным» телом называют объект, который полностью поглощает энергию падающего на него поля. В настоящее время существует несколько моделей «черного» тела. Это модели: Кирхгофа, Коттлера, Макдональда, Зоммерфельда и др. Все эти модели, математические и физические, объединяет общее требование отсутствия отражения от поверхности черного тела [34]. Поэтому скажем несколько слов только о математической модели Кирхгофа.

Кирхгоф сделал предположение, что на освещенной части поверхности черного тела полное поле (наведенное - падающее плюс рассеянное) равно падающему, что эквивалентно отсутствию отражений от него, а на теневой части _ оно (полное поле) равно нулю (что соответствует непрозрачному для ЭМВ телу).

Отсутствие полного поля на теневой части поверхности черного тела заставляет признать, что за таким абсолютно черным телом больших по сравнению с длиной волны размеров существует теневое рассеянное поле (2). Собственное рассеянное поле , черного тела в соответствии с моделью Кирхгофа должно отсутствовать.

То есть для абсолютно черного тела справедливы равенства

; . (4)



Тогда в соответствии с формулой (3) под собственным рассеянным полем , любого тела следует понимать поле, возникающее вокруг рассеивающего тела дополнительно к теневому полю , вокруг соответствующего (с аналогичной рассматриваемому телу геометрией) абсолютно черного тела.

Следует отметить, что в соответствии с теоремой о теневом контуре [36], если рассеивающее тело велико по сравнению с длиной волны, то поле, рассеянное черным телом, в приближении физической оптики не зависит от формы поверхности тела и полностью определяется его теневым контуром, т. е. границей освещенной части поверхности. Таким образом, например, черный шар, черный диск при нормальном падении волны и черный конус при падении волны вдоль его оси при одинаковых радиусах создают одинаковое теневое поле. Более того, все непрозрачные тела независимо от формы и граничных условий на их поверхности (при любом коэффициенте отражения волны от освещенной части поверхности) при одинаковом теневом контуре имеют одинаковое теневое поле рассеяния.

2.4 Эффективная площадь рассеяния

Для оценки радиолокационной заметности объектов вводят понятие эффективной площади рассеяния, называемой также эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), эффективным поперечником или поперечным сечением рассеяния [31]. В зарубежной литературе часто встречается аббревиатура ЭПО _ эффективная поверхность отражения [32]. Различают дифференциальную и интегральную ЭПР. На практике для оценки характеристик радиолокационных отражателей используют дифференциальную ЭПР. ЭПР характеризует способность рассеивающего тела преобразовывать падающую на него электромагнитную волну в рассеянную волну, распространяющуюся в направлении на приемник.

ЭПР определяют как площадь поперечного сечения у изотропного отражателя, мысленно установленного на месте реального объекта, и создающего в точке приема такую же плотность потока мощности рассеянной электромагнитной волны, что и реальная цель [16], [31].

Найдем ЭПР (у) объекта при полном поляризационном приеме [31]. Рассмотрим задачу в следующей постановке. Пусть А - произвольное рассеивающее тело расположено на достаточно большом расстоянии от передающей (С) и приемной (В) антенн РЛС (см. рис. 1). Передатчик С у поверхности объекта А создает напряженность падающего поля Ei и соответствующую ей плотность потока падающей мощности Пi.

Рис. 1. К определению ЭПР

Приемник В и передатчик С в общем случае разнесены на угол . В близости от приемника В объект А создает напряженность рассеянного поля Er (Пr, -соответствующая ей плотность потока рассеянной мощности). Интенсивность рассеянного объектом поля (Er и Пr) зависит от формы тела А и его ориентации по отношению к В и С, а также от угла .

Мысленно заменим объект А идеальным изотропным отражателем, рассеивающим энергию ЭМП во все стороны равномерно. Поскольку расстояние R0 достаточно большое, то рассеянную волну можно было считать сферической. Мощность рассеяния такого изотропного тела в этом случае (по определению ЭПР изотропный отражатель и реальный объект создают в точке приема одинаковый вектор Пойнтинга _ Пr) будет иметь вид

Pr =4р R02Пr. (5)

В то же время изотропный отражатель имеет площадь поперечного сечения у, перпендикулярную направлению падения волны, следовательно, перехваченное изотропным телом из падающего поля мощность равна

Pr =у Пi.

Таким образом, величина у, называемая эффективной поверхностью рассеяния тела А, будет определяться следующим выражением:

. (6)

Учитывая соотношения и , формулу для расчета у можно записать в виде

. (7)

ЭПР при разнесении передатчика и приемника в пространстве на угол (см. рис. 1) называют двухпозиционной или бистатической при полном поляризационном приеме, а угол _ двухпозиционным или бистатическим углом (смысл термина «полный поляризационный прием» означает совпадение поляризаций падающей, отраженной и принятой волн, то есть предполагается, что Ei и Er поляризованы одинаково и приемник регистрирует полное поле Er). При = 0 ЭПР называют ЭПР обратного рассеяния, однопозиционной, моностатической или, иногда, радиолокационной ЭПР. Под термином ЭПР чаще всего понимают моностатическую ЭПР.

Строго говоря, на практике полного поляризационного приема не бывает. Во-первых, поляризация рассеянного поля (на рис. 1 поляризация r), как правило, отличается от поляризации падающего поля (поляризация i) вследствие деполяризации при рассеянии [31]. Во-вторых, поляризация приемной волны обычно не совпадает с поляризацией рассеянного поля, и, следовательно, в приемник попадает лишь на часть рассеянного поля, поляризованного в соответствии с поляризацией приемной антенны. Таким образом, приемник выделяет из рассеянного поля некоторую составляющую Es с поляризацией s; другая составляющая Eq с поляризацией q, ортогональной s, не попадает в приемник. Если поляризации излучаемого поля i и принимаемого поля s совпадают, то говорят о согласованном приеме или приеме на параллельной поляризации. Это наиболее часто встречающийся случай РЛС с простейшим одноканальным антенно-волноводным трактом. Если же поляризации i и s ортогональны (is), то говорят об ортогональном приеме, перекрестном приеме или приеме на ортогональной поляризации (кроссполяризации) [31].

В соответствии с рис. 1 выражение ЭПР объекта А при излучении поля с поляризацией i и приеме поля с поляризацией s запишется в виде

. (8)

Для вычисления ЭПР по этой формуле необходимо уточнить понятия параллельной и ортогональной поляризаций i и s [31].

Аналогичным образом вводятся понятия теневой или эффективной поверхностью затенения и ЭПР при полном поляризационном приеме. Для этого пользуются понятием черного тела.

Так как теневое поле концентрируется вблизи направления ?р, а собственное рассеянное _ во всех остальных направлениях, то вблизи так называемого направления рассеяния вперед (?р) ЭПР можно назвать эффективной поверхностью затенения и определить как:

, (9)

где - теневое рассеянное поле позади абсолютно черного тела, обладающего таким же теневым контуром, как и заданное рассеивающее тело. Это площадь поверхности идеального «изотропного» абсолютно черного тела, создающего во всех направлениях одинаковое теневое поле, равное теневому полю реального тела в рассматриваемом направлении. Особенность теневого рассеянного поля Ert в том, что в приближении физической оптики его поляризация всегда совпадает с поляризацией падающего поля Ei. Поэтому эффективная поверхность затенения, в отличие от ЭПР, не зависит от поляризации. Большое по сравнению с длиной волны тело в некотором телесном угле вблизи в окрестности направления =р затеняет поток падающей энергии. Эффективная поверхность затенения является мерой этого явления. Затенение отсутствует, когда уt=0, и оно максимально, когда уt?.

Поскольку в соотношении (3) теневое поле не зависит от поляризации падающей волны, то на основании этого можно записать выражение, определяющее понятие ЭПР при полном поляризационном приеме:

. (10)

Таким образом, величина уr представляет собой ЭПР без учета теневого рассеянного поля.



2.5 Интегральный поперечник рассеяния

Интегральным поперечником рассеяния тела А (см.рис. 1) называют [31] отношение полной мощности электромагнитного поля, рассеянного этим телом, к плотности потока мощности падающей волны

, (11)

где полная мощность, рассеянная телом, определяется соотношением

, (12)

_ сферическая поверхность большого радиуса вокруг рассматриваемого тела.

Учитывая, что определяется в окрестности тела А (см.рис. 1) и не зависит от переменных интегрирования в (12), внесем его под знак интеграла, тогда для интегрального поперечника рассеяния получим

, (13)

где _ полный телесный угол; .

Сопоставляя (13) с (6), получим

, (14)

где _ дифференциальная ЭПР тела.

Таким образом, в соответствии с (14) интегральный поперечник рассеяния является средним значением дифференциальной ЭПР по полному телесному углу .

2.6 Интегральный поперечник поглощения

В соответствии с (3) для имеет

. (15)

Для тел больших электрических размеров можно считать, что теневое и собственное рассеянные поля разнесены в пространстве и справедливы приближенные равенства . В результате можно считать

. (16)

Тогда полная мощность рассеяния будет представлять собой сумму мощностей собственного рассеянного поля и теневого ().

В результате можно ввести понятия:

интегрального поперечника рассеяния без затенения

(17)

и

интегрального поперечника затенения

. (18)

Если рассматриваемое тело (объект) обладает поглощением, то вводят понятие интегрального поперечника поглощения [31]

, (19)

где _ мощность ЭМП, поглощенная телом, которая в соответствии с соотношениями (4) может быть представлена в виде ; _ теневая мощность, представляющая собой полную мощность, поглощенную абсолютно черным телом; _ полная рассеянная мощность без учета тени. То есть равно разности между мощностью, которую тело может максимально поглотить (как абсолютно черное тело), и рассеянной телом мощностью.

В результате

.

В соответствии с (13) интегральный поперечник рассеяния равен

. (20)



По аналогии вводят понятие полного интегрального поперечника, характеризующего как рассеивающую, так и поглощающую способность рассматриваемого тела

. (21)

Для тел больших электрических размеров с большой долей уверенности можно записать

,

где _ геометрическое поперечное сечение тела.

И тогда для больших тел, обладающих потерями, имеем

; ; . (22)

Если тело является идеально проводящим, то интегральный поперечник является максимальным, равным полному интегральному поперечнику

; . (23)

У абсолютно черного тела и интегральный поперечник является минимальным

; . (24)



Таким образом, используя различного рода маскировочные материалы, интегральный поперечник рассеяния можно уменьшить максимум только в два раза до минимального значения, равного его геометрическому поперечному сечению .

В отличие от интегрального поперечника , дифференциальный (в ограниченном секторе углов) может меняться в значительных пределах, что успешно используют при обеспечении маскировки объектов путем снижения их радиолокационной заметности.



3. ЭПР тел простой формы

3.1 ЭПР металлической сферы (шара)

Задача о рассеянии и дифракции плоской электромагнитной волны на сфере исследована наиболее полно по сравнению со всеми другими телами простой и сложной формы. Сфера представляет собой одно из тел простой формы, для которого электродинамическая задача решается строго [37]. Кроме того, сфера _ это единственное тело, рассеивающее энергию во все стороны равномерно, то есть является всенаправленным отражателем, как в моностатическом, так и в бистатическом режимах и в этом смысле является совершенным эталоном при экспериментальных исследованиях объектов сложной формы, чьи характеристики рассеяния не поддаются строгим расчетам.

Рассмотрим задачу дифракции плоской волны на сфере в приближении геометрической оптики, которая предполагает, что падающая волна отражается в каждой точке поверхности сферы так же, как и от бесконечной касательной в этой точке плоскости (угол падения луча равен углу отражения). Это правомерно, если радиус сферы во много раз больше длины волны падающего поля .

Пусть ЭМВ падает на сферу радиуса вдоль оси вдоль параллельных лучей 1_1 и 2_2. Рассмотрим на поверхности сферы кольцо , вырезанное на ней лучами 1_1 и 2_2. Лучи 1_1 отразятся от поверхности сферы под углом (лучи ), а лучи 2_2 - под углом (лучи ). Мощность ЭМП, падающей ЭМВ на это кольцо, приближенно равна произведению проекции кольца (шириной ) на фронт падающей волны на плотность потока мощности этой волны (см. рис. 2)

.

С учетом соотношений

,

получим

.

Эта мощность после отражения ЭМВ от шара распределяется по кольцевой полосы_сегмента , созданного лучами на поверхности сферы большого радиуса , равного расстоянию от шара до РЛС (см.рис. 2).



Рис. 2. Рассеяние ЭМВ на сфере

Соотношение позволяет считать, что лучи параллельны радиусам-векторам, проведенным из начала координат (точка 0) к границам сегмента . В этом случае площадь этого сегмента можно вычислить по формуле

.

В результате плотность рассеянного (из-за малости угла _ рассеянного равномерно в этом конусе (между лучами и )) потока мощности можно определить следующим образом:

.

Как видим, плотность мощности не зависит от угла наблюдения , что говорит об изотропности рассеивающих свойств шара. В соответствии с формулой (6) для дифференциальной ЭПР шара получим следующее выражение:

. (25)

Для определения ЭПР шара в резонансной области частот необходимо пользоваться строгими электродинамическими методами [37].

Если размер шара много меньше длины падающей волны , то его ЭПР можно оценить с помощью асимптотических приближений [31]

. (26)

На рис. 3,а-е приведены трехмерные (3D) бистатические диаграммы рассеяния () металлических шаров различных электрических радиусов (), полученные численно с помощью САПР СВЧ FEKO [38].



а) б) в)

г) д) е)

Рис. Диаграммы рассеяния шаров различного радиуса

Направление падения волны и её поляризация (направление вектора ) показаны на рисункахЗдесь и далее результаты расчетов ЭПР отражателей получены в НОЦ каф. АиРПУ ТТИ ЮФУ «Центр компьютерного моделирования и электронных САПР антенн и устройств СВЧ» с помощью пакета FEKO..

Как видим, При малых электрических размерах сфер () их теневое поле мало и ЭПР существенно зависит от длины волны. С ростом величины радиуса сферы её рассеивающие свойства в передней полусфере ( ) приближаются к свойствам изотропного отражателя. Резко выраженный лепесток в прямом направлении для сфер больших электрических размеров () соответствует теневому рассеянию (2) ().

Основываясь на методе геометрической оптики, несложно показать, что ЭПР любого тела двойной кривизны определяется по формуле

, (27)

где _ радиусы кривизны поверхности объекта в точке зеркального отражения волны. Вывод формулы (27) в одной из главных плоскостей иллюстрирует рис. 4.

Рис. 4. К определению ЭПР тела двойной кривизны

Для шара и формулы (25) и (27) совпадают.

Интересно отметить, что у тел с двойной кривизной поверхности ЭПР не зависит от частоты падающей волны и полностью определяется их геометрией. К слову сказать, это утверждение справедливо лишь к телам больших электрических размеров, то есть частотная зависимость все же существует и для таких тел, что подтверждают графики, приведенные на рис.3,а,б.

3.2 ЭПР плоских тел

Для плоских тел (диски с произвольной формой краев, но всё же гладкой по сравнению с длиной волны) больших электрических размеров вычисление ЭПР, как правило, осуществляют в приближении метода физической оптики [31], который дает хорошую точность в основном и первых боковых лепестках. Более того, выражение для максимальной ЭПР таких тел (в направлении нормали к их поверхности) в таком приближении удается получить в явном виде.

Рассмотрим падение плоской линейно-поляризованной волны на пластину с произвольным гладким контуром по нормали к её поверхности (рис. 5).

Рис. 5. К определению максимальной ЭПР плоского тела



Поле падающей волны (,) наводит на поверхности рассеивателя электрический ток с поверхностной плотностью . Этот ток создает векторный электрический потенциал

. (28)

При нормальном падении волны , (см. рис. 5) и выражение (28) принимает вид

. (29)

Для вектора напряженности рассеянного электрического поля в дальней зоне в обратном направлении (в направлении оси ) будем иметь

. (30)

В соответствии с формулой (7) для максимальной ЭПР плоского тела получим общеизвестную формулу [31]:

. (31)

Таким образом, в отличие от тел двойной кривизны, ЭПР которых практически не зависит от частоты облучающего их поля, ЭПР плоских тел с ростом частоты растет обратно пропорционально квадрату длины волны.



3.3 ЭПР металлического диска

Для диска радиусом максимальная ЭПР в соответствии с (31) равна

. (32)

Рис. 6. К определению ЭПР диска

Для моностатической ЭПР (ЭПР в обратном направлении) для произвольных углов падения волны при параллельном приеме будем иметь [31] (рис. 6):

. (33)

Эта формула дает результаты приемлемой точности при , .

Ширину моностатической ЭПР диска можно найти из корней функции Бесселя . Поскольку , то ширина основного лепестка ЭПР по нулям равна .

Ширина бистатической диаграммы практически для любого большого отражателя почти вдвое шире, чем у моностатической.

Для длинноволновой области, где , моностатическую (однопозиционную) ЭПР можно определить из приближенной формулы

. (34)

На рис.7а,б приведены 3D (см.рис.7а) и 2D (см.рис.7б) бистатические диаграммы ЭПР [38]См. сноску на стр.211 металлического диска радиуса =15см () в логарифмическом масштабе. Как видим, для диска больших электрических размеров теневое и собственное рассеянные поля практически идентичны, что характерно для всех плоских тел.

а б

Рис.7. Бистатические 3D и 2D диаграммы ЭПР диска



3.4 ЭПР прямоугольной пластины

ЭПР прямоугольной пластины размером () (рис. 8) определяется в приближении физической оптики и имеет вид [31]

, (35)

где .

Рис. 8. К определению ЭПР прямоугольной пластины

На рис.9 в качестве примера в логарифмическом масштабе приведена 3D (см.рис.9а) и 2D (см.рис.9б) бистатические диаграммы ЭПР пластины 10Ч40см при нормальном падении волны частотой 10ГГц См. сноску на стр.211. Налицо симметрия полей в верхнем и нижнем полупространствах (равенство теневого и собственного рассеянных полей).

маскировка радиолокационный помеха ловушка



а б

3D диаграмма, 2D-диаграммы, сплошная _ в пл. yz,

пунктир - в пл. xz

Рис.9. Бистатические диаграммы ЭПР пластины 10Ч40см (f=10ГГц)

3.5 ЭПР конуса

Строгого решения (в замкнутой форме) задачи дифракции на конусе ещё не получено. Формулы для её ЭПР получают либо в приближении физической оптики, либо геометрической дифракции. ЭПР конуса радиусом a с углом при вершине (рис. 10) определяется соотношением [16]

. (36)

Для бесконечного конуса ЭПР равна [34] .



Рис. 10. К определению ЭПР конуса

На рис.11а,б,в в качестве примера в линейном масштабе приведены 3D (см.рис.11а,в) и 2D (см.рис.11б) бистатические диаграммы ЭПР конусов с радиусами основания и высотами (по формуле (36) ) и () при осевом падении волны частотой 10ГГц (по формуле (33) ЭПР диска _ ). На том же рисунки приведены 2D диаграммы ЭПР См. сноску на стр.211. Несоответствие результатов строгих расчетов (см. рис.8,б) приближенным (см. формулу (36)) в направлении оси конуса ( _ вместо и _ вместо ) объясняется тем фактором, что в (36) не учтены краевые волны, возникающие за счет дифракции падающей волны на кромке: конус - диск (основание).



Рис.11 Бистатические диаграммы ЭПР конусов (f=10ГГц) ()

Вместе с тем вклад основания в ЭПР, рассчитанный по приближенной формуле (33) () и строгим методом () совпадают с достаточно высокой точностью (96%).

3.6 ЭПР цилиндра

Задача рассеяния электромагнитной волны на цилиндре, по числу опубликованных к настоящему времени работ, занимает первое место, опережая в этом отношении даже задачу рассеяния на сфере [31].

Строгое решение задачи рассеяния известно только для бесконечного цилиндра при падении волны перпендикулярно образующей.

Характеристики цилиндра конечной длины определяются приближенными методами, иногда с использованием результатов строгого решения для бесконечного цилиндра. При a,l>>л (рис. 12)

ЭПР цилиндра определяют в приближении физической оптики. Так для нормального падения волны на боковую поверхность цилиндра его максимальная ЭПР равна [31]

. (37)

При расчете ЭПР цилиндра следует иметь в виду, что при углах падения, близких к нормали к основанию цилиндра, основной вклад в ЭПР вносит основание, то есть соотношение (33). При углах падения, близких к нормальным к боковой поверхности, ЭПР цилиндра будет определяться его боковой поверхностью [31]

. (38)

Рис. 12. К определению ЭПР цилиндра



В общем случае моностатическая ЭПР будет представлять собой суперпозицию отражений от боковой поверхности и торцевой части (диска) цилиндра [31]

(39)

В отличие от плоских рефлекторов (диски) цилиндр в экваториальной плоскости () является ненаправленным отражателем с ЭПР (37). Это широко используют в радиолокации для создания различного рода маяков и ложных целей. Зачастую цилиндры также используют в качестве эталонных отражателей.



4. Искусственные радиолокационные отражатели

4.1 Общие понятия

Искусственные радиолокационные отражатели - это устройства направленного отражения (как правило, большого уровня) радиоволн. Приведенные выше отражатели простой формы имеют высокий уровень ЭПР в очень узком секторе углов (плоские отражатели см. 2_4) или ненаправленное рассеяние (цилиндры) только в одной плоскости [4], [19], [20], [31]. Для расширения углового сектора с высокой ЭПР проектируют специальные устройства _ пассивные направленные переизлучатели электромагнитной энергии и активные усилители-ретрансляторы, радиолокационные отражатели. Они используются для увеличения эффективной площади рассеяния ложных радиолокационных целей и ловушек [31].

К пассивным переизлучателям относятся уголковые отражатели, линзы Люнеберга и антенные решетки Ван-Атта. Радиолокационные отражатели широко применяются в качестве навигационных знаков, маркеров и буев при управлении движением воздушного и морского транспорта, служат эталонами при градуировке и калибровке различных радиолокационных устройств, являются средством увеличения радиолокационной контрастности малых морских судов, метеорологических зондов и космических аппаратов, используются в качестве мишеней, радиолокационных ловушек и ложных целей.

4.2 Двугранный уголковый отражатель

Уголковые отражатели [31] представляют собой жесткую конструкцию из двух или трех взаимно-перпендикулярных металлических граней (различной формы). Металлические двугранные уголковые отражатели представляют собой простейший тип радиолокационных отражателей. На практике они используются относительно редко, так как они являются широкоугольными отражателями только в одной плоскости. Тем не менее двугранные отражатели часто входят как составные элементы в различные конструкции, для которых рассчитываются рассеянные поля, поэтому они представляют особый интерес.

Двугранный уголковый отражатель состоит из двух плоских металлических граней (рис. 13), развернутых под определенным углом 0<<р (чаще всего 900). В результате при падении плоской волны между его гранями возникают двукратные или многократные переотражения. Внутренние поверхности граней, если они достаточно велики по сравнению с длиной волны, образуют систему из двух плоских зеркал. Угол определяет кратность переотражения волн между гранями. При <р/2 отражения оказываются многократными.

Для расчета характеристик рассеяния двугранных уголковых отражателей больших по сравнению с длиной волны размеров можно использовать метод последовательных приближений Вестпфаля (многократных переотражений от граней на основе метода физической оптики), но чаще всего используют апертурный метод [31], который основан на представлении геометрической оптики. Согласно этому методу строятся эквивалентные синфазные апертуры, которые затем, на основе представлений физической оптики, рассматриваются как источники рассеянного поля в виде плоских пластин соответствующего размера и формы.

а б

Рис. 13 Двугранные уголковые отражатели:

а - двукратное отражение при >р/2; б - трехкратное отражение при <р/2

Такие представления для двухгранного уголка с прямоугольными гранями дают следующее выражение для моностатической диаграммы ЭПР

(40)

где .

Основным недостатком двухгранных отражателей является тот факт, что они обладают широкой моностатической диаграммой ЭПР только в плоскости, перпендикулярной ребру уголка. В ортогональной плоскости, которой принадлежит грань А-А (см.рис. 13), ЭПР принимает максимальное значение на биссектрисе угла и определяется таким же выражением, как и у прямоугольной пластины, совпадающей с раскрывом уголкового отражателя,

. (41)

Для иллюстрации сказанного на рис.14,а,б приведены диаграммы ЭПР двухгранного уголкового отражателя с в главных плоскостях.

Результаты получены численно с помощью программы FEKO [38]Результаты расчетов получены в НОЦ каф. АиРПУ ТТИ ЮФУ «Центр компьютерного моделирования и электронных САПР антенн и устройств СВЧ»..

а

б

Рис.14. Диаграммы ЭПР двухгранного уголка в ортогональных плоскостях

Следует отметить, что даже в плоскости, перпендикулярной ребру уголка (см.рис.14,а), ширина диаграммы ЭПР по половинной мощности не превышает вне зависимости от размера пластин.

4.3 Трехгранный уголковый отражатель

В зависимости от формы они могут быть треугольными, прямоугольными и секторными (рис. 15) [4, 19, 20, 31]. Уголковые радиоотражатели даже небольших размеров обладают значительными ЭПР. ЭПР, однако, очень сильно зависит от точности выдержки прямых углов между гранями. Например, уголковый отражатель с треугольными гранями при а =125 см и л = 3,2 см имеет максимальную ЭПР, равную 1·104 м2. При отклонении углов между гранями от прямых всего на 1° ЭПР снижается в 30 раз и равна примерно 300 м2. Для треугольных, прямоугольных и секторных уголковых отражателей максимальные ЭПР соответственно будут:

, , , (42)

где а - длина ребра отражателя.

а б в

Рис. 15. Уголковые отражатели с гранями:

а - треугольный; б - прямоугольный; в - круглый

По сравнению с изотропными телами уголковые отражатели обладают направленной диаграммой рассеяния.

Максимальная ЭПР уголка возрастает при увеличении размера его граней и уменьшении длины падающей волны.

Менее чувствительны к погрешностям изготовления уголки с треугольными гранями, имеющие более широкую и равномерную диаграмму направленности [4], а также обладающие большей жесткостью граней. Поэтому их применяют гораздо чаще, несмотря на то, что для получения той же ЭПР требуется несколько больше материала, чем на отражатели с квадратными гранями.

На рис.16,а,б,в приведены моностатические диаграммы ЭПР уголковых отражателей, приведенных на рис.15, с ребрами 10см.

а б в

Рис.16. Моностатические диаграммы ЭПР уголковых отражателей

Как показывает рис.16,а, уголок с треугольными гранями имеет на порядок меньший уровень ЭПР по сравнению с уголками из квадратных (см. рис.16,б) и секторных (см. рис.16,в) граней. О более равномерном характере диаграммы уголка с треугольными гранями [4] по результатам строгих расчетов (см.рис.16) говорить не приходится. Из рис.16 следует, что наиболее равномерная диаграмма у секториального уголка, а наиболее неравномерная - у треугольного.

Для сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными на рис.18 приведены расчетные диаграммы ЭПР секториального трехгранного уголка (рис.17) с ребром 15см, а на рис.19 - эго экспериментальная диаграмма на частоте 10ГГц.

Экспериментальные исследования характеристик уголка проведены в безэховой камере Центра коллективного пользования (ЦКП) «Прикладная электродинамика и антенные измерения» кафедры АиРПУ ТТИ ЮФУ. http://airpu.tsure.ru/mac/index_mac.php

Рис.17. Трехгранный секториальный уголок

Рис.18. Расчетная диаграмма ЭПР трехгранного секториального уголка с ребром 15см на частоте 10ГГц



Рис. 19. Экспериментальная диаграмма ЭПР трехгранного секториального уголка с ребром 15см на частоте 10ГГц

На практике часто необходимы отражатели, одинаково хорошо работающие на волнах линейной и круговой поляризаций. В связи с этим конструкции уголковых отражателей усложняются, обеспечивая задержку одной из ортогональных компонент электромагнитного поля по отношению к другой. Например, параллельно одной из металлических граней уголка располагается диэлектрическая пластина. Отражение от этой грани происходит без изменения фазы на 180°. Поэтому исключается отличие поляризаций падающих и отраженных волн (рис. 20,а,б).

Другой способ применения диэлектрика состоит в заполнении всей внутренней полости уголка. Причем нижняя грань представляет собой поверхность раздела диэлектрик-металл (рис. 20,в). Для расширения диаграммы рассеяния уголковых отражателей их группируют в различные достаточно громоздкие конструкции [4].

Плоские решетки из уголковых отражателей имеют ЭПР, пропорциональную квадрату числа отражателей, но в узком секторе, обусловленном множителем решетки [39]. Некое приближение (но неравномерное) к круговой направленности удается получить при соединении уголковых отражателей в кольцевые решетки и многогранники.

В целях увеличения сектора рассеяния применяют группы уголковых отражателей, по-разному ориентированных в пространстве.

а б в

Рис. 20. Отражение сигналов от уголковых отражателей:

а - с металлическими гранями; б - с двумя металлическими и одной диэлектрической гранью; в - уголковый отражатель, заполненный диэлектриком

Примерный вид одного из образцов такой группы представлен на рис. 21 [19, 20].

Рис. 21. Конструкция из уголковых отражателей

На рис.22 приведены моностатические диаграммы данного уголка с диаметром дисков 150мм на частоте 10ГГц в его первом квадранте.



Рис.22. Диаграммы ЭПР комбинации 4-х секториальных уголковых отражателей

Как видим, уже четыре уголковых отражателя создают многолепестковую ДР во всем телесном угле. Пятиячеечный отражатель имеет более широкую ДР (рис.23,а). При конструкции из восьми отражателей, называемой октаэдрной группой, получается шестилепестковая ДР (рис.23,б) [19].

а б

Рис. 23 ДР (гипотетические) уголковых отражателей:

а - из пяти ячеек; б - из восьми ячеек

Шесть основных лепестков образуются за счет отражения волн шестью уголками, а два остальных уголка отражают волны вверх или вниз. Острые лепестки появляются вследствие прямого отражения от граней электромагнитных волн.

Увеличением числа уголковых отражателей должно привести к более равномерной пространственной диаграмме отражения во всем телесном угле. При этом многолепестковость диаграммы таким способом устранить не удается.

Основной недостаток комбинированных отражателей состоит в наличии глубоких провалов в ДР. Избежать их можно вращением группы отражателей, вследствие чего образуется результирующая ДР, соответствующая средней ЭПР.

Более широкой и равномерной диаграммой отражения обладают линзы Люнеберга [19].

4.4 Линзовые отражатели

Все линзовые отражатели, как следует из самого их названия, содержат в качестве основных элементов диэлектрические линзы различных типов. Чаще всего используются те или иные модификации диэлектрической линзы Люнеберга, которая может быть цилиндрической или сферической.

Линза Люнеберга (рис. 24,а) - диэлектрический цилиндр без потерь [31], диэлектрическая проницаемость которого меняется вдоль радиуса (который >> л) от е=1 на поверхности цилиндра до е=2 на оси (рис. 24,б).

а б

Рис. 24. Линза Люнеберга



Благодаря этому падающая волна беспрепятственно проникает внутрь линзы. Все лучи, независимо от угла падения на поверхность линзы, имеют одинаковые фазовые длины и сходятся в одной точке F , лежащей на поверхности линзы с противоположной стороны. Чтобы превратить линзу Люнеберга в отражатель, достаточно поместить в ее фокусе металлическую пластину. Лучи, падающие на пластину, и лучи, отраженные от нее, в силу симметрии имеют одинаковые траектории, и после выхода из линзы распространяются в обратном направлении, образуя плоский фронт.

Отражатели на основе цилиндрических линз по своим рассеивающим свойствам подобны либо плоской пластине, либо двугранному уголковому отражателю.

Для расширения рассеивающих свойств в телесном угле используют сферические линзы (рис. 25,а).

Ширина диаграммы рассеяния линзы зависит от размеров металлизированной поверхности (рефлектора). Например, если рефлектор равен половине поверхности шара, ширина диаграммы рассеяния составляет 140° (рис. 25,б) [4, 20]. Максимальная ЭПР такой линзы вычисляется по формуле

(43)

а б

Рис. 25. Отражение электромагнитной волны линзой Люнеберга (а) и ее примерная диаграмма рассеяния (б)

Всенаправленный по азимуту отражатель можно получить, окружив часть шара металлическим кольцом (рис. 26,а) [4, 20, 31]. Максимальное значение ЭПР данного отражателя определяется шириной металлизированного кольца l - из выражения

. (43)

а б

Рис. 26. Линза Люнеберга с металлическим кольцом (а) и ее диаграмма рассеяния в азимутальной плоскости (б)

Рис. 27. Некоторые типы линз Люнеберга

На базе линзы Люнеберга разработано несколько конструкций линзовых отражателей (рис. 27) [4, 20, 31], позволяющих сформировать те или иные диаграммы рассеяния.



4.5 Отражатели-антенны

Отражатели-антенны представляют собой обычные антенны, используемые в режиме рассеяния принимаемых сигналов. Наибольший уровень отраженного сигнала достигается при коротком замыкании антенны в точке подключения волноводного тракта или фидера. В такой антенне, если она изготовлена из идеального проводника или из диэлектрика без потерь, принимаемая энергия переизлучается и создает рассеянное поле.

Одними из наиболее широкоизвестных и эффективных отражателей _ антенн являются антенные решетки Ван-Атта [4, 20, 31].

Конструктивно антенная решетка Ван-Атта в одном из вариантов представляет собой металлическую пластину с размещенными на ней дипольными вибраторами. Они размещаются рядами на расстоянии /4 от металлической пластины, параллельно ей.