Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

Рис. 8.1

где Е2г, Е2в—горизонтально и вертикально поляризован­ ные компоненты отраженной волны; Си, С22 — комплекс­ ные коэффициенты, характеризующие прямые; Ci2, С21 — перекрестные преобразования компонентов падающей вол­ ны в соответствующие компоненты отраженной.

Модули коэффициентов преобразования характеризуют

называют поляризационный матрицей рассеяния цели. Она позволяет определить параметры волны, отраженной в на­ правлении РЛС. Однако для измерения параметров от­ раженного сигнала у приемной антенны РЛС необходимо учесть изменения, которые претерпевает сигнал при его распространении в среде.

Отражающие свойства цели необходимо знать при проектировании РЛС, в частности при расчете ее дальности действия. Удобной характеристикой цели в этом случае является ее эффективная площадь рассеяния.

Эффективной площадью рассеяния цели (ЭПР) оц называют площадь поперечного сечения такого воображае­ мого объекта, который рассеивает всю падающую на него мощность изотропно, т. е. равномерно во все стороны, и при этом создает в месте расположения приемной

200

Из этой формулы следует, что ЭПР си имеет размер­ ность площади; она не зависит ни от интенсивности облучающей волны, ни от расстояния D, поскольку при увеличении 77, пропорционально меняется П2 и отношение 772/77, сохраняется неизменным, а при увеличении D это отношение меняется обратно пропорционально D2.

ЭПР можно определить и путем измерения напряжен­

При этом считают, что поляризации прямой и отра­ женной волн совпадают. В общем случае необходимо учитывать поляризационные характеристики антенны РЛС и объекта, а также среды распространения. В этом случае ЭПР записывают в виде матрицы

в формулы для ЭПР, могут быть рассчитаны или найдены экспериментально. Расчет возможен лишь для некоторых простейших объектов. Для большинства реальных объектов ЭПР определяется экспериментально. Значения ЭПР реаль­ ных объектов имеют очень широкий диапазон—от 10”29 м2 для электрона до 1013 м2 для планеты Венера.

§ 8.2. ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ РАССЕЯНИЯ ПРОСТЕЙШИХ ОБЪЕКТОВ

Простейшими считают объекты, ЭПР которых может быть достаточно просто вычислена аналитически. К ним относятся плоский лист, цилиндр, шар, уголковый и биконический отражатели, полуволновый вибратор, участок диффузно-рассеивающей поверхности, а также некоторые групповые и распределенные цели. Определение ЭПР таких объектов может представлять самостоятельный интерес, а также быть необходимо для вычисления ЭПР объектов

201

сложной конфигурации, которые могут быть представлены совокупностью простейших объектов.

Для нахождения ЭПР участка 5 хорошо проводящей выпуклой поверхности (рис. 8.2) воспользуемся формулой (8.4), в которой отношение E2jEi можно получить сумми­ рованием элементарных полей, создаваемых в месте рас­ положения РЛС отраженными сигналами от элементов поверхности d5. Если расстояние от антенны РЛС до рассматриваемого элемента dS равно D н облучение происходит под углом 0 к нормали с напряженностью поля Еп то напряженность поля Е-, в месте расположения РЛС

s

Для малоразмерных целей можно считать, что в пределах цели (поверхности 5) значения D и Ej меняются мало, поэтому

^2 cos0d5,

s

где Do — расстояние от РЛС до ближайшей точки поверх­ ности. Тогда

Воспользуемся полученным выражением для вычисле­ ния эффективной площади рассеяния некоторых простей­ ших объектов.

202

ЭПР плоской хорошо проводящей пластины. Если металлический лист, размеры которого а и b много больше 1И, но много меньше D, расположен перпен­ дикулярно направлению облучения (рис. 8.3), то выражение (8.6) принимает вид

s

поскольку d—Q и 0 = 0 вследствие малости размеров листа по сравнению с дальностью D и его расположению перпендикулярно направлению прихода радиоволн.

Таким образом, при нормальном облучении идеально проводящий лист зеркально отражает всю падающую энергию в направлении РЛС, что и обеспечивает большую ЭПР по сравнению с площадью листа. При 1„=10см лист площадью 5 = 1 м2 имеет при облучении по нормали оп= 1256 м2, что в несколько раз превышает ЭПР большого самолета.

Однако даже при небольшом отклонении направления облучения от нормали ЭПР плоского листа резко падает. Предположим, что направление облучения отклонено от нормали в горизонтальной плоскости на угол 0 = а. Рассматривая лист как плоскую синфазную антенну с диа­ граммой направленности, описываемой функцией £(х)=

sinx

= £т----- , выражение для ЭПР можно записать в виде

х

203

Плоский лист имеет диаграмму рассеяния, описывае­ мую функцией вида (sinx/x)2.

При больших отношениях размера листа к длине волны (в рассмотренном случае а/А.„) диаграмма рассеяния будет очень острой, т. е. при увеличении а значение ЭПР листа резко меняется в соответствии с функцией оц(а), снижаясь в некоторых направлениях до нуля.

Для ряда применений желательно сохранение большого значения ЭПР в широком диапазоне изменения углов облучения. Это необходимо, например, при использовании отражателей в качестве пассивных радиомаяков. Таким свойством обладает уголковый отражатель.

ЭПР уголкового отражателя. Уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных металлических листов, он обладает свойством отражения радиоволн в сторону облучающей РЛС, что объясняется трехкратным отражением от стенок отражателя (рис. 8.4), которое испытывает волна, если направление облучения находится вблизи оси симметрии (в пределах телесного угла 45°) уголкового отражателя. Из рис. 8.4 можно видеть, что трехкратное отражение происходит, если падающий луч проходит в пределах шестиугольника, вписанного во внешний контур отражателя. Следовательно, ЭПР уголко­ вого отражателя примерно равна ЭПР плоского листа в виде такого шестиугольника, облучаемого по нормали.

а = 6=1 м. Однако уголковый отражатель сохраняет боль­ шое значение ЭПР в достаточно широком секторе, тогда как ЭПР пластины резко уменьшается при незначительных отклонениях направления облучения от нормали. Необхо­ димо подчеркнуть, что достижение теоретического значения оуа возможно лишь при высокой точности его изготовле­ ния, особенно при работе на волнах короче 3 см. Для расширения действующего сектора применяют уголковые

море используют также биконические отражатели (рис. 8.5), составленные из двух одинаковых металлических конусов.

204

Рис. 8.4

Если угол между образующими конусов равен 90°, то луч после двукратного отражения от поверхности конусов направляется в сторону РЛС, что и обеспечивает большое значение ЭПР. Достоинством биконического отражателя является равномерная диаграмма рассеяния в плоскости, перпендикулярной его оси.

ЭПР шара. Для определения ЭПР большого (по сравнению с Хн) шара с идеально проводящей гладкой поверхностью можно воспользоваться формулой (8.6). Однако в данном случае в этом нет необходимости, поскольку такой шар соответствует требованиям к гипоте­ тической цели, площадь поперечного сечения которой

иявляется ее ЭПР. Таким образом, ЭПР шара, имеющего

игладкую идеально проводящую поверхность, равна его площади поперечного сечения независимо от длины волны и направления облучения:

Благодаря этому свойству большой шар с хорошо проводящей поверхностью применяют в качестве эталона при экспериментальном измерении ЭПР реальных объектов путем сравнения интенсивности отраженных сигналов.

При уменьшении отношения радиуса шара к длине волны до значений гш/Хи<2 у функции ош/(лГш)=/(гш/А.„) (рис. 8.6) появляется ряд резонансных максимумов и мини­ мумов, т. е. шар начинает вести себя как вибратор. При диаметре шара, близком к А.и/2, ЭПР шара в четыре раза превышает площадь его поперечного сечения. Для малого шара с гш^А.и/(2я) ЭПР определяется дифракци­ онной формулой Рэлея ош=4,4-104 и характеризуется сильной зависимостью от длины волны облучающих радиоволн.

Этот случай имеет место, например, при отражении радиоволн от капелек дождя и тумана. С учетом значения

205

гш^и

Рис. 8.6

диэлектрической проницаемости воды (с = 80) ЭПР дождевых капель

(8-11)

где dt— диаметр капель.

Полезно знать, что для любой гладк.ой выпуклой хорошо проводящей поверхности ЭПР

оп = яг1Г2,

если радиусы кривизны в «блестящей точке» rt и г2 много больше 1и.

Под блестящей точкой понимают точку на отражающей поверхности, в которой нормаль совпадает с направлением на РЛС, т. е. происходит зеркальное отражение в ее сторону.

ЭПР полуволнового линейного вибратора. Если линей­ ный вибратор длиной I облучается вертикально поляризо­ ванной волной с напряженностью электрического поля

сопротивление вибратора. При протекании тока возникает вторичное излучение, напряженность вертикально поляри­ зованной компоненты которого в месте расположения РЛС

щую высоту йд = Хи/я и выходное сопротивление Zn = Rz =

206

Для расчета ЭПР найдем Р2 путем вычисления полного потока мощности отраженной волны. Вообразим полусферу с радиусом, равным расстоянию D до РЛС. Мощность отраженного сигнала, проходящего через элемент dS поверхности полусферы, dP2 = 772mcos0d5, причем d5=Z>x

Приравняв выражения (8.14) и (8.15) для Р2, получим

IJlSor„ = TtD2n2m, откуда я£>2~~ = Sorai. Но, по определе-

,П2

111

является ЭПР участка площадью So диффузно-рассеиваю- щей поверхности при облучении по нормали.

Если направление на РЛС отклонено на угол 0 от нормали, то

Эта формула может быть использована, например, для вычисления сигнала, отраженного поверхностью Земли, при определении дальности действия самолетных панорамных РЛС, радиовысотомеров, доплеровских измерителей путе­ вой скорости и угла сноса самолета. Во всех этих случаях для расчета ЭПР необходимо найти площадь 50 участка поверхности Земли, отражения от всех точек которой, суммируясь, и создают радиолокационный сигнал. Такой участок называют отражающей или разрешаемой площадью.

Показательным является случай импульсной самолет­ ной панорамной РЛС. Предположим, что ширина ДНА станции в горизонтальной плоскости равна аА, а длитель­ ность излучаемого импульса ти. В вертикальной плоскости ДНА панорамной РЛС обычно широкая и разрешаемая площадь зависит от параметров станции аА и ти, а также дальности D рассматриваемого участка So.

С помощью рис. 8.9 легко найти размеры, ограничи­

208

о

Значение коэффициента отражения гот зависит от свойств облучаемой поверхности.

Уместно подчеркнуть, что отраженный сигнал на входе приемника панорамной РЛС .является суммой вторичного излучения всех отражателей в пределах 50. Поэтому для наблюдения малоразмерных целей на фоне отражающей поверхности необходимо путем повышения разрешающей способности станции (уменьшения аА и т„) стремиться приблизить значение 50 к размерам цели.

ЭПР групповых и объемно-распределенных целей. Рас­ смотрим сначала результирующую ЭПР оцр двух точечных целей (рис. 8.10) с равными ЭПР: сгц1=оц2 = оц. Предполо­ жив, что расстояние между целями d много меньше расстояний Dx и D2 до РЛС, найдем разность хода AZ) = Z)1-Z) = rfcos0 и фазовый сдвиг сигналов, приходящих

2я 2я

к антенне РЛС, ф = —AZ) = —dcosO. Напряжение результи­

рующего сигнала при приеме С'р=2С'со5ф, а его мощность /’р = и?/R = 4U2cos2tp = 4Pcos2(f>. В таком же соотношении

209