CC BY
1323
Эффективная поверхность рассеяния, применимость и возможность ее определения для сложных целей
Т. А. Ясова
МИЭМНИУ ВШЭ, Факультет Информационных Технологий cuarto64@ gmail. com
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР; англ. Radar Cross-Section, RCS; в некоторых источниках — эффективная поверхность рассеяния,эффективный поперечник рассеяния, эффективная отражающая площадь, ЭОП) в радиолокации — площадь некоторой фиктивной идеальной сферы, являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку расположения цели, создаёт у антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.
Грубо говоря, ЭПР - это некая количественная мера отражённой в направлении приёмника энергии электромагнитного излучения, падающего на цель.
Рис. 1. Примерно так выглядит график ЭПР обычного самолета в зависимости от
ориентации его к радару.
В первую очередь, конечно же, ЭПР определяет незаметность или, наоборот, видимость целей радарами. Чем меньшее ЭПР имеет цель, тем сложнее ее засечь радарами. На этом и основаны разработки технологии «Стелс». Но даже самолеты, спроектированные по этой технологии, не всегда «невидимы» для радаров. Чаще всего, когда самолет ориентирован к радару носом либо хвостовой частью, электромагнитное излучение отражается от него большей частью вниз, или в какую-нибудь другую сторону от радара, и тогда на радиолокационную станцию возвращается малозаметный сигнал. Но так происходит не всегда и не со всеми радарами. Во-первых, «Стелс» технология не рассчитана на поглощение энергии
излучения. То есть мы имеет дело не с «абсолютно черным телом» (определения этого термина для электродинамики взято из книги П. ?. Уфимцева «Теория дифракционных краевых волн в электродинамике»), а всего лишь телом, перенаправляющим эту энергию в отличное от направления ее получения сторону. Потому сразу видятся два способа обнаружения «Стелс» - по «тени» от объекта, который не пропускает электромагнитные импульсы в определённом направлении, и отслеживая отраженный сигнал. С обеими задачами способна справиться связная сеть приемников и передатчиков, более того, такие системы уже не только разработаны, но и существуют, и даже не представляют из себя что-то сложное и особо дорогое (по меркам военной промышленности, по заявленным данным стоимость подобной сети примерно в 7 раз меньше, чем стоимость одного единственного истребителя последнего поколения). Единственный минус - точность подобной сети, конечно же, будет меньше, чем у обычных радиолокационных станций. Но порог практической применимости так же легко преодолим, легко достижима точность в несколько метров.
Рис. 2. Пример системы радаров
Кроме того, возможны и такие сценарии: радиолокационной сетью могут служить и сами истребители, если создать систему для согласованного действия их радаров. Тогда облучать «Стелс» будет один истребитель, а получать отраженный сигнал - второй, находящийся в другой точке пространства. И по его точным данным уже может осуществляться наводка и атака. Либо, цель возможно облучать с земли, чтобы истребители так же ловили уже отраженный в их сторону сигнал.
Все эти технологии требуют обмена данными между истребителями и/или наземными радиолокационными станциями, но в виду относительно близкого расстояния между ними возможно использование узконаправленных волн, либо оптического канала во избежание увеличения их заметности для пассивных РЛС.
Но кроме рассмотренного случая со «Стеле» технологиями, эффективная площадь рассеяния используется и в других областях. К примеру, важную роль играет определение ЭПР для ракет и противоракет, и здесь точность и быстрота определения целей имеет ключевую роль для эффективности и тех, и других.
Итак, эффективная площадь рассеяния - крайне важная характеристика как для проектирования оборудования/аппаратов, так и для разработки стратегий радиолокации. Одним из способов моделирования является метод цифровое моделирование входных сигналов систем радиолоквции от сложных радиолокационных схем, разработанный А.Б.Борзовым, А.В.Соколовым и В.Б.Сучковым. Они разработали метод расчёта ЭПР для ближней радиолокации, что применимо и для дальней, поскольку для этого нужно лишь считать фронт падающей волны плоским. Предельное расстояние для такой аппроксимации определяете по формуле:
Л
где Я - длина волны падающего излучения, ^^ - предельное расстояние между СБРЛ и объектом.
В качестве энергетической характеристики рассеяния объекта в дальней зоне локации как раз используется эффективная площадь рассеяния (ЭПР), которая определяется для сосредоточенного объекта при облучении его плоской электромагнитной волной:
где R - расстояние от фазового центра антенны до объекта,
» i Е
й
* - величина
напряженности поля, падающего на объект, - вектор поляризации приемной
антенны в дальней зоне локации, - вектор напряженности электрического поля рассеяния объекта в точке приема.
В связи с этим, возник вопрос о том, что считать ЭПР объекта в ближней зоне локации, когда соотношение не выполнимо. Для решения указанных проблем потребовалось создание единого методического подхода, позволяющего наиболее адекватно описывать процесс электромагнитного взаимодействия СБРЛ и объекта как в ближней, так и в дальней зоне локации.
Одним из приоритетных направлений совершенствования принципов и методов радиолокационного обнаружения объектов на фоне подстилающих поверхностей и при наличии помех в СБРЛ является разработка новых более совершенных методов математического и цифрового моделирования рассеяния электромагнитных волн в ближней зоне локации.
Это осуществимо благодаря возможности представить модель исследуемого объекта в виде полигональной сетки с такими фрагментами, каждый из которых удовлетворял бы критерий дальней зоны:
г
Чи 2
где - характерный линейный размер т-го элемента полигональной модели, ^ -расстояние между фазовым центром антенны СБРЛ и т-м элементом. Пример подобной полигональной модели можно увидеть на рис. 3, рис. 4.
Рис 3. Полигональная модель истребителя Е-117
Рис. 4. Полигональная модель истребителя Е-117, описанная с помощью треугольных
полигонов
При представлении модели подобным образом, возможен расчёт величины результирующей напряженности электрического поля рассеяния, принятого в апертуре приемной антенны СБРЛ как когерентная сумма напряженности для каждого отдельного сегмента полигональной модели:
где ^^ - расстояние между фазовым центром антенны и началом системы координат ЭО (элементарного отражателя), Р1 - мощность сигнала, излучаемого передающей системой, - КНД передающей антенны в направлении максимума
излучения, Ъ^)-120к Ом - волновое сопротивление воздуха, ф = ^^ - круговая
частота электромагнитных колебаний, - векторная характеристика направленности
передающей антенны в направлении на ЭО, [Ф - начальная фаза передающей
антенны,
Я
расстояние между ЭО и фазовым центром приемной антенны,
величина напряженности поля рассеяния т-м ЭО. Индекс 1 соответствует облучающей волне, а 8 - вектору поляризации приемной антенны.
Рис. 5. Схема радиолокации плоского треугольного элемента полигональной модели.
Список литературы
1. Справочник по радиолокации в 4-х томах. Перевод с английского под общей редакцией К.Н. Трофимова, Москва, «Советское радио», 1976 г.
2. Теория дифракционных краевых волн в электродинамике. Уфимцев П. Я. Москва, Бином. Лаборатория знаний, 2012 г.
3. А.Б.Борзов, А.В.Соколов, В.Б.Сучков. Цифровое моделирование входных сигналов систем ближней радиолокации от сложных радиолокационных сцен // Журнал радиоэлектроники, N 4, 2004.
4. Математическая модель рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы. Борзов А.Б., Соколов А.В. Электромагнитные волны & электронные системы. 1998 г.
5. Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных целей. Юсеф
Рж
Полный вывод формул приводится в работе [3]
Н.Н. ТИИЭР. 1989 г.
