ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ

3.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Когда на пути распространения радиоволн находится какой-либо объект – физическое тело, по своим электрическим параметрам (диэлектрической постоянной, проводимости) резко отличающееся от окружающей среды, то при облучении этого объекта в его поверхностном слое возникают токи СВЧ, создающие вторичное электромагнитное поле, переизлучаемое объектом в пространство. Некоторая доля мощности переизлученного вторичного поля достигает антенны РЛС и является источником отраженных сигналов, обнаруживаемых радиолокационной станцией.

Отражение радиоволн от объектов (целей) по своему характеру может быть зеркальным, рассеянным или диффузным. Зеркальное отражение возникает при гладкой отражающей поверхности, когда размеры объекта и радиус кривизны участков его поверхности во много раз больше длины волны облучающего поля. В этом случае отражение происходит по законам, близким к оптическим, т.е. угол падения равен углу отражения (рис. 3.1,а). Поэтому, за исключением случая нормального падения, отраженная волна не возвращается к РЛС.

Шероховатая поверхность объекта вызывает рассеянное отражение. В этом случае из-за различного расположения элементов отражающей поверхности относительно фронта падающей волны электромагнитная энергия отражается в разных направлениях, что вызывает рассеяние радиоволн (рис. 3.1,б). Когда длина волны РЛС больше размеров объекта, то интенсивность отражения очень мала.

Отражающие свойства объекта (цели) влияют на дальность радиолокационного обнаружения и зависят, кроме характера отражения, от размеров материала, формы объекта, длины волны РЛС и направления облучения объекта. Количественно отражающие свойства объекта оцениваются эффективной поверхностью отражения (ЭПО).

ЭПО представляет собой некоторую эквивалентную площадь S_Э, которая, будучи помещена в точку нахождения объекта перпендикулярно направлению распространения радиоволн, создает на входе антенны РЛС плотность мощности отраженного сигнала, равную плотности мощности, отраженной от реального объекта (например, судна того или иного типа или знака навигационного ограждения).

Количественно ЭПО может быть определена следующим образом. Пусть на объект (цель) с общей площадью S воздействует плотность потока мощности П₁, создаваемая РЛС. Тогда при отсутствии потерь объект будет поглощать и переизлучать в окружающее пространство мощность

Р = SП₁.

Часть этой мощности, достигая РЛС, создает у антенны плотность потока мощности

,

где G₀ – коэффициент направленности отражающего объекта в сторону РЛС;

D – расстояние между РЛС и отражающим объектом.

В этом выражении произведение SG₀ = S_Э. Эффективная поверхность отражения объекта будет равна:

.

ЭПО может быть вычислена только для объектов простейшей формы, например, для полуволнового пассивного вибратора, металлического листа, шара, уголкового отражателя и пр. При этом допускается, что они выполнены из однородного идеально проводящего материала, т.е. не имеют потерь. ЭПО объектов, имеющих сложную конфигурацию (суда, знаки навигационного ограждения, другие надводные и наземные объекты), может быть определена только экспериментально.

3.2. ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОТРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОСТЕЙШЕЙ ФОРМЫ

3.2.1. Полуволновой пассивный вибратор

Как известно, такой вибратор представляет собой отрезок проводника длиной, равной половине длины волны. Как показывают расчеты, его ЭПО . Таким образом, с увеличением длины волны РЛС S_Э такого проводника увеличивается. Например, при длине волны РЛС 10 см ЭПО вибратора S_Э1 = 0,86∙10² = 86 см. При уменьшении длины волны до 3,2 см ЭПО вибратора уменьшается до S_Э2 = 0,86∙3,2² = 8,8 см.

3.2.2. Плоский металлический лист

В случае, когда металлический лист, размеры которого во много раз больше длины волны, расположен перпендикулярно направлению распространения радиоволн (рис. 3.2), можно считать, что энергия отражается таким листом так же, как излучается энергия направленной антенной.

Находим коэффициент направленности нормально расположенного металлического листа как отношение полного телесного угла сферы к телесному углу, в котором происходит отражение от листа

,

где α_Г – угол направленности в горизонтальной плоскости; ,

θ – угол направленности в вертикальной плоскости; .

Тогда , где S = ab – площадь листа.

Определяем ЭПО металлического листа: .

Благодаря зеркальному отражению в сторону РЛС при нормальном облучении ЭПО металлического листа оказывается большой. Например, ЭПО листа площадью S = 1 м² при длине волны 10 см:

.

Если длину волны РЛС уменьшить до 3,2 см, то ЭПО этого листа

.

При отклонении направления облучения от нормали ЭПО листа очень резко уменьшается.

3.2.3. Уголковые отражатели

Для увеличения интенсивности отражения в достаточно большом секторе облучения применяют искусственные уголковые отражатели, ЭПО которых остается почти постоянной в секторе облучения, достигающем одного октанта сферы. Искусственные уголковые отражатели представляют систему из двух или трех взаимно перпендикулярных металлических плоскостей. Грани такого отражателя могут иметь различную форму и размеры.

Простейший уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных пластин (рис. 3.3,а). В соответствии с законами геометрической оптики уголковые отражатели обладают способностью отражать падающие на них электромагнитные волны в направлении облучающей РЛС. Это свойство в данном типе отражателя обеспечивается трехкратным отражением от стенок, которые испытывает волна, если направление облучения находится вблизи оси симметрии уголкового отражателя.

ЭПО уголкового отражателя приближенно равна ЭПО шестиугольника, вписанного во внешний контур отражателя (рис. 3.3,б), площадь которого равна

.

Далее находим ЭПО уголкового отражателя с треугольными гранями

.

Уголковые отражатели устанавливают на вехах, буях, судах с деревянным корпусом, спасательных шлюпках и других слабо отражающих объектах, повышая их дальность обнаружения. Например, ЭПО буя второго класса составляет около 0,5 м², а ЭПО уголкового отражателя, показанного на рис. 3.3, со стороной ребра а = 0,4 м при длине волны 3,2 см равна 107 м².

Если необходимо обеспечить интенсивное отражение во всех направлениях, то уголковые отражатели устанавливаются группами по несколько штук, располагая их по окружности. На рис. 3.4,а показан комплект уголковых отражателей, смонтированных на буе, на рис. 3.4,б – диаграмма отражения такого комплекта.

3.2.4. Шар

ЭПО шара зависит от его радиуса R. Исследования показывают, что при условии R>>λ ЭПО шара не зависит от длины волны РЛС и направления облучения и определяется по формуле S_Э = πR². Учитывая это свойство, такой шар с хорошо проводящей поверхностью используют в качестве эталона при экспериментальном определении ЭПО сложных объектов (например, судов того или иного типа).

Для любой выпуклой поверхности при условии, что минимальный радиус кривизны поверхности в блестящей точке значительно больше длины волны,

S = πR₁R₂.

где R₁ и R₂ – главные радиусы кривизны поверхности в блестящей точке.

Под блестящей точкой понимается точка на отражающей поверхности, нормаль к которой совпадает с направлением на РЛС.

Если радиус шара значительно меньше длины волны, то ЭПО шара из диэлектрика может быть определена по формуле Рэлея

.

Эта формула обычно используется для определения ЭПО капель дождя, тумана и пр.

3.3. ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОТРАЖЕНИЯ ГРУППОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Групповыми называются несколько одновременно облучаемых объектов, находящихся в пределах разрешаемой площади. В этом случае принимаемые отраженные сигналы представляют собой совокупность нескольких отраженных сигналов, отличающихся в общем случае по фазе и амплитуде. При этом фазы и амплитуды отдельных сигналов либо складываются между собой, увеличивая суммарную ЭПО группового объекта, либо вычитаются, уменьшая соответственно суммарную мощность отраженных сигналов от группы объектов.

В качестве иллюстрации определим ЭПО группового объекта, состоящего из двух одинаковых точечных целей 1 и 2, ЭПО которых не зависит от направления облучения (рис. 3.5).

Когда РЛС облучает одновременно оба объекта (цели), то напряжение от отраженных сигналов на входе приемника будет равно сумме

,

где U₁ и U₂ – амплитуды напряжения сигналов, отраженных от объектов 1 и 2;

φ₁ и φ₂ – углы отставания по фазе напряжений объектов 1 и 2.

По условию U₁=U₂=U. Тогда .

Фазовые углы: и ,

где φ₀₁ и φ₀₂ – скачки фаз при отражении энергии от объектов 1 и 2.

В случае одинаковых объектов φ₀₁ = φ₀₂, тогда разность фаз:

,

где D₁ и D₂ - расстояния между РЛС и объектами 1 и 2 соответственно.

В результате суммарная амплитуда напряжения отраженных сигналов на входе приемника

,

а мощность отраженных сигналов

,

где P – мощность отраженного сигнала от одного объекта (цели).

Поскольку между отраженной мощностью и ЭПО существует линейная зависимость, то

,

где S_Э1 – ЭПО одного объекта.

Таким образом, при изменении взаимного положения объектов (угла β) S_Э может иметь различные значения – от минимального, равного нулю, до максимального, в 4 раза превышающего ЭПО отдельного объекта (цели).

3.4. ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОТРАЖЕНИЯ СУДОВ И ДРУГИХ НАДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Суда относятся к радиолокационным объектам сложной формы, состоящим из большого числа отдельных отражателей различной формы и размеров (корпус судна, мачты, трубы, надстройки, такелаж и пр.). Поэтому сигналы, отраженные от судна, – результат интерференции большого количества колебаний, имеющих различные фазу и амплитуду.

При движении судна, изменении его курса, качке и при других факторах число, взаимное расположение и облучаемая площадь отдельных отражателей изменяются по отдельному закону. Все это вызывает флюктуацию ЭПО судна.

Как и следовало ожидать, ЭПО судна имеет наибольшую величину при облучении со стороны бортовых направлений и уменьшается со стороны носа и кормы. Объясняется это тем, что корпус судна в первом приближении как надводный объект можно представить металлической отражающей пластиной, форма которой повторяет профиль сечения судна плоскостью, нормальной к направлению облучения. Иными словами, при облучении под курсовым углом 90º левого или правого борта площадь S_Э будет пропорциональна площади сечения диаметральной плоскости судна. При облучении со стороны носа или кормы S_Э будет пропорциональна площади сечения в плоскости шпангоутов в точке наибольшей ширины судна.

На рис. 3.6, а показана диаграмма в полярных координатах изменения S_Э грузового судна водоизмещением 8200 т в зависимости от направления облучения на волне 3,2 см, полученная экспериментально на расстоянии 3,5 мили. Диаграмма неравномерна по азимуту, имеет максимальное значение при облучении со стороны правого и левого бортов и меньше – при облучении со стороны носа и кормы на 15–18 дБ.

Применяемая в данном случае формула ЭПО металлического листа характеризует также частотную зависимость ЭПО судна. При уменьшении длины волны ЭПО судна увеличивается. Для примера на рис. 3.6, б показана диаграмма в полярных координатах изменения S_Э танкера водоизмещением 25 тыс. т, полученная на расстоянии 7,5 мили для РЛС на волне 3,2 и 0,8 см.

Экспериментально ЭПО судна определяется обычно с помощью эталонного объекта (цели), в качестве которого используется гладкий металлический шар, радиус которого во много раз больше длины волны РЛС. Как отмечалось, ЭПО такого шара величина постоянная и не зависит от направления облучения.

Тогда:

,

где S_ЭШ – ЭПО шара (эталона); P₂ – мощность отраженного сигнала от измеряемого объекта;

P_2Ш – мощность отраженного сигнала от шара.

В табл. 3.1. приведены ориентировочные данные среднего значения ЭПО некоторых типов судов, знаков навигационного ограждения и других объектов высотой h₂ на волне 3,2 см.

Таблица 3.1

3.5. ЭФФЕКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОТРАЖЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ОБЪЕКТОВ

Распределенными называют объекты, размеры которых превышают линейные размеры радиолокационного луча на местности. Распределенные объекты бывают поверхностные и объемные.

Поверхностными, например, являются участки водной и земной поверхности, облучаемые зондирующими импульсами РЛС. В связи с тем, что РЛС обладает определенной разрешающей способностью по дальности и направлению, не вся поверхность моря или суши участвует в образовании отраженных сигналов. а только некоторая ее часть (рис. 3.7,а).

Кроме отражающей площади, ЭПО поверхностного объекта зависит от характера отражающей поверхности, длины волны и др. Отражающая поверхность может быть гладкой или шероховатой. В зависимости от этого отражение будет зеркальным или рассеянным. При гладкой поверхности энергия отражается в противоположном направлении от РЛС и прием сигналов оказывается невозможным. Такой случай наблюдается при облучении гладкой водной поверхности или поверхности, покрытой асфальтом или бетоном, при облучении песчаных банок, отмелей и пр.

При волнении водная поверхность становится шероховатой. Отражение будет носить рассеянный характер. Часть энергии, отраженная от взволнованной поверхности, достигает антенны РЛС и создает помехи при приёме сигналов, отраженных от надводных объектов (судов и пр.),

Критерий, определяющий условия, при которых водную поверхность можно считать зеркально гладкой или шероховатой, можно найти следующим образом. Если на водной поверхности создается волна высотою h (рис. 3.7,б), то между лучом, отразившимся от гребня волны и лучом, отразившимся от впадины, разность хода лучей . Эта разность хода соответствует фазовому сдвигу между лучами на угол

.

Согласно закону Релея поверхность считается гладкой, если разность фаз < . Тогда условием зеркального отражения луча будет являться выражение h < , а рассеянного отражения h > .

С увеличением расстояния при данной высоте волны h уменьшается угол β скольжения луча.

Отражение приобретает в большей степени зеркальный характер, и интенсивность сигналов, отраженных от морской поверхности в сторону радиолокатора, ослабевает значительно быстрее, чем отражение от других надводных объектов.

ЭПО водной поверхности

,

где G₀ – коэффициент направленности отражающей водной поверхности в направлении РЛС, зависящий от степени волнения (высоты и направления волны).

Как видно из этой формулы, помехи от взволнованной водной поверхности могут быть снижены увеличением разрешающей способности РЛС, т.е. применением импульсов малой длительности и антенн с более узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.

Объемные распределенные объекты – совокупность большого числа элементарных отражателей, заполняющих некоторый объем, воспроизводимых радиолокатором как один объект. К таким объектам (целям) относятся взвешенные в атмосфере жидкие и твердые частицы (дождь, град, туман, грозовые облака и пр.). ЭПО объемной цели (объекта) равна произведению числа элементарных отражателей, заключенных в данном объеме, в котором они воспринимаются как одна цель, на эффективную площадь отражения одного элементарного отражателя.

Например, для дождя

S_Э = S_К NV,

где S_К – ЭПО одной дождевой капли;

N – количество капель в единице объема;

V – общий объем, в котором все дождевые капли воспринимаются как один объект.

Объем зависит от телесного угла луча антенны и длительности импульсов

, тогда .

Если в зоне дождя находится какой – либо объект, например судно, то отражение от дождевых капель может создать значительную помеху на экране индикатора для распознавания отраженного от судна сигнала. Эту помеху можно несколько ослабить путем укорочения длительности импульсов РЛС и использованием антенны с большей направленностью (меньшим углом α_Г). При этом мощность сигнала, отраженного от судна, практически не снизится, а мощность помех из – за отражения от дождевых капель уменьшится.

Помехи от дождя можно также уменьшить, применяя для облучения объектов электромагнитное поле с круговой поляризацией. Такое поле создают с помощью специальной поляризационной решетки из четвертьволновых металлических пластин, расположенных под углом 45° к вектору электрической составляющей поля линейно поляризованной волны (рис. 3.8). Решетка размещается или в разрыве рупора (у антенн зеркального типа), или впереди щелевого излучателя (рупорно–щелевая антенна). В этих случаях излучаемая волна разлагается на две взаимно перпендикулярные линейно поляризованные составляющие поля с одинаковой амплитудой. Одна составляющая ориентирована параллельно пластинам решетки, вторая – перпендикулярно. Последняя сквозь пластины решетки проходит, как в свободном пространстве. Для параллельной составляющей поля пластины решетки являются волноводом. Поскольку фазовая скорость поля в волноводе больше, чем в свободном пространстве, при прохождении через решетку параллельная составляющая поля будет опережать по фазе перпендикулярную составляющую E₂.

Угол фазового сдвига между составляющими поля будет зависеть от расстояния между пластинами и размера пластин в направлении распространения радиоволн. Эти размеры выбираются таким образом, чтобы на выходе решетки параллельная составляющая E₁ опережала составляющую E₂ на 90°. Тогда после прохождения решетки линейно поляризованное поле антенны преобразуется в поле с круговой поляризацией, поскольку между составляющими E₁ и E₂ имеют место пространственный и фазовый сдвиги на 90°.

После отражения энергии от дождевых капель или иных объектов сферической формы параллельная составляющая поля E₁, проходя решетку в обратном направлении, получит дополнительное опережение по фазе на 90° относительно составляющей E₂. Тогда на входе антенны РЛС обе составляющие взаимно компенсируются, так как их амплитуды при отражении от объектов сферической формы одинаковы, а фазы противоположны.

Если в зоне дождя находится объект, например судно, то из–за несимметричной формы отражающего объекта, отличной от сферической, отраженное поле будет иметь эллиптическую поляризацию. В результате после прохождения через поляризационную решетку суммарное поле на входе антенны радиолокатора имеет определенное значение, определяемое разностью амплитуд вертикальной и горизонтальной составляющих поля, создаваемого судном при отражении энергии. Опыт показывает, что использование поля с круговой поляризацией подавляет отражение от дождевых капель примерно на 20 – 25 дБ при ослаблении полезного сигнала на 6 – 8 дБ.