книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

Распределение [5.43] показано на рис. 5.15. При А0 = 0 все фазы составляющих отраженного сигнала равновероятны. По мере уве­ личения А0 фаза суммарного сигнала начинает определяться фа­ зой сигнала, отраженного от «блестящей» точки.

Статистическая связь между значениями флюктуирующей ам­ плитуды сигнала от групповой цели, разделенными временным ин­ тервалом т, характеризуется функцией автокорреляции

т

где Т — время наблюдения цели.

Рис. 5.15. Распределение плотности вероятности фазы групповой цели

Средняя плотность отраженной мощности (спектральная плот­ ность) определяется выражением

о©

В силу чрезвычайной громоздкости и большой трудоемкости аналитического определения статистических характеристик сигна­ лов, отраженных от групповых целей, обладающих случайными параметрами, в инженерной практике обычно используют разнооб­ разные методы математического моделирования и полигонных испытаний,

180

5.7. ЭПР объемно-распределенных целей

Дипольные отражатели, используемые в качестве помеховых средств, представляют собой очень тонкие металлизированные по­ лоски или волокна, укладывающиеся в компактные пачки, содер­ жащие от десятков тысяч до нескольких миллионов штук отдель­ ных диполей. Рассеянные в пространстве диполи образуют облако, представляющее собой для радиолокаторов системы ПРО объемнораспределенную цель. Пространственное сложение полей, отра­ женных от отдельных диполей, некогерентно. Однако если диполи имеют одинаковую длину, то средняя ЭПР облака

N

i=l

где о. =ffj — средняя ЭПР одного диполя;

N — число диполей, находящихся в луче РЛС.

В пространстве диполи распределяются случайным образом и ориентируются по отношению к фронту падающей волны РЛС так­ же случайно.

Нетрудно показать, что эффективная площадь рассеяния полу­ волнового диполя, произвольно ориентированного в пространстве, определяется соотношением

a1 = 0,86X2 COS4 <p,

где — угол между осью диполя и электрическим вектором па­ дающей волны.

При совпадении поляризаций диполя и падающей волны ЭПР полуволнового диполя будет максимальной

а, == 0,86Х2, lmax >

Среднее значение ЭПР диполя щ можно определить, задавшись законом распределения случайной величины ср. Для равновероят­ ной ориентации диполей и совмещенных точек излучения и приема

Таким образом, средняя ЭПР пачки диполей

а — 0 , 17X2N-

Из-за слипания и поломки диполей часть из них не будет эф­ фективно работать, что приводит к уменьшению ЭПР пачки. Эти потери можно учесть поправочным коэффициентом тг]<1, тогда

Электромагнитные волны затухают при прохождении через об­ лако из-за рассеяния энергии диполями. Величина затухания зави-

181

сит от концентрации п, т. е. от количества эффективно действую­ щих диполей в единице объема. Полагая, что элементарный объ­ ем облака площадью 1 м2 и толщиной dx рассеивает энергию про­ порционально ЭПР, получим

Из формулы [5.47] следует, что ЭПР пачки диполей в большой степени зависит от частоты. Диполи являются резонансными отра­ жателями и обеспечивают эффективное отражение для частот, от­ личающихся не более чем на ±(10—15)% от резонансной. За пре­ делами этих допусков ЭПР диполей значительно снижается, но мо­ жет вновь возрасти на частотах, кратных резонансной частоте ди­ поля. Для создания помех в широком диапазоне частот необходи­ мо сбрасывать отражатели различной длины.

Для маскировки целей диполями от импульсных РЛС необхо­ димо также учитывать независимую обработку целей в каждом импульсном объеме *. Для эффективной маскировки цели при ра­ боте импульсных РЛС необходимо, чтобы ЭПР совокупности дипо­ лей, находящихся в одном импульсном объеме, превышала в опре­ деленное число раз ЭПР цели. Аналогичная задача решается при обнаружении сигнала на фоне шумовых активных помех.

5.8. Уголковые отражатели

Уголковый отражатель представляет собой жесткую конструк­ цию, состоящую из двух или трех взаимно перпендикулярных про­ водящих граней, электрически соединенных между собой. Основное преимущество уголкового отражателя состоит в том, что значи­ тельная часть электромагнитной энергии, падающей на него в пре­ делах внутреннего угла, отражается в направлении, противополож­ ном направлению облучения. Это свойство позволяет использовать небольшие уголковые отражатели для имитации больших целей

* Под импульсным объемом РЛС понимается область пространства, ограни­ ченная шириной луча по уровню половинной мощности и разрешающей способ­ ностью по дальности.

182

со значительными ЭПР. В зависимости от формы граней разли­ чают треугольные, прямоугольные и круглые уголковые отражате­ ли (рис. 5.16). Величина ЭПР уголкового отражателя зависит от направления падения облучающей волны, задаваемого величиной

Рис. 5.16. Уголковые отражатели:

а — треугольный; б — прямоугольный; в — круглый

углов а, (3, у между падающим лучом и гранями уголка. ЭПР угол­ ка может быть охарактеризована величиной ЭПР эквивалентной плоской пластины площадью S, плоскость которой перпендикуляр-

6

У, град

Рис. 5.17. Зависимость о/омакс трехгранных угол­ ковых отражателей от направления падения волны:

; _ треугольные грани; 2 — квадратные грани

на направлению падающих лучей. Зависимость относительной ве­ личины площади сечения а/амакс от направления падения волны, нормальной к одной из граней, при а = Р приведена на рис. 5.17. Максимальные значения ЭПР трехпранных уголковых отражателей определяются следующими формулами:

— для отражателей с треугольными гранями

183

— для отражателей с квадратными гранями

а

— для отражателей с гранями в виде прямоугольных секторов круга

16на4

а3

где a — длина ребра отражателя, X— длина волны облучающего утолок сигнала.

Уголковый отражатель характеризуется шириной диаграммы направленности и величиной ЭПР. Наибольшей ЭПР из указанных типов обладают отражатели с прямоугольными гранями, но при этом они имеют более узкую диаграмму направленности и менее прочную конструкцию.

Существуют различные конструктивные способы компенсации снижения ЭПР уголковых отражателей на краях рабочей зоны. Необходимость расширения зоны углов отражения вызывается тем, что ориентация уголковых отражателей в направлении на источ­ ник облучения сопряжена со значительными трудностями.

Достаточно хорошо изученной является так называемая октаэдрная группа. Она может быть составлена из трех взаимно пер­ пендикулярных плоских проводящих листов, образующих восемь трехтранных уголковых отражателей. В зависимости от положения такой группы по отношению к направлению облучения получаются различные диаграммы отражения. Диаграммы отражения таких конструкций имеют многочисленные максимумы и минимумы, вы­ званные интерференцией. Изрезанность диаграммы отражения мо­ жет быть уменьшена за счет вращения конструкции, например, в азимутальной плоскости.

К уголковым отражателям предъявляются весьма жесткие тре­ бования по точности сопряжения граней. Отклонение от нормали приводит к значительному снижению ЭПР ввиду нарушения синфазности поля в раскрыве отражателя.

Для уголковых отражателей с большими размерами граней от­ клонение угла от расчетного по мнению иностранных специалистов не должно превышать 0,5—1°.

Недостатком трехгранного уголкового отражателя считают и то, что поляризация отраженной волны противоположна поляри­ зации падающей вследствие нечетного числа отражений от граней уголка. Для устранения этого недостатка принимают различные меры, которые сводятся к тому, чтобы придать уголковому отра­ жателю свойство так называемой несимметричной цели. Один из возможных способов заключается в том, что перед одной из гра­ ней отражателя на незначительном расстоянии от нее помещают диэлектрическую пластину. Сдвиг фаз между колебаниями, отра­ женными от внутренней и внешней пластин, лежит в пределах 0—180°. В результате сложения в пространстве отраженных коле-

184

баний возникает эллиптически поляризованная волна, которая мо­ жет быть разложена на две волны с круговой поляризацией раз­ ного направления с различными амплитудами.

Для получения равномерной диаграммы отражения в широком диапазоне углов падения считают перспективными отражатели на базе линзы Люнеберга. Действие линзы основано на том факте, что частично металлизированный шар или цилиндр заполняется диэлектриком с коэффициентом преломления, изменяющимся по закону

п = п0 У l - - f ( i f ) * ’

где г — радиальная координата; R — радиус шара или цилиндра. Благодаря этому линза фокусирует падающий на нее парал­

лельный пучок лучей в точку на металлизированной поверхности

Рис. 5.18. Всенаправленные отражатели с металлическими кольцами

сферы и отражает этот пучок в обратном направлении, параллель­ ном падающим лучам.

При металлизации одной полусферы линза отражает падаю­ щую на нее энергию равномерно в пределах пространственного угла в 140°. ЭПР линзы Люнеберга вычисляется по формуле

л3<14 ~4Х2~ »

где d — диаметр линзы.

На базе линзы Люнеберга разработано большое количество са­ мых разнообразных линзовых отражателей. Так, всенаправленный по азимуту отражатель можно получить, окружив сферу Люнебер-

185

га отражающим металлическим кольцом (рис. 5.18). Варьируя шириной и положением кольца на сфере, можно формировать тре­ буемую диаграмму направленности. Максимальное значение ЭПР такого отражателя определяется выражением

где г — радиус сферы; L — ширина кольца.

Следует добавить, что по мнению американцев некоторый инте­ рес представляет разновидность уголкового отражателя — двойной

Рис. 5.19. Биконичёский отражатель:

а — общий вид; б —диаграмма вторичного излучения

конус (биконический отражатель), показанный на рис. 5.19. Он имеет равномерную круговую диаграмму вторичного излучения в гори­ зонтальной плоскости. ЭПР такого отражателя при плоскости по­ ляризации поля, параллельной продольной оси, такая же, как и у цилиндра с радиусом гср= 0 ,5 ( гМакс + ^мин) 'И высотой h, Т. б.

2«c2ph2

0 р

Американские специалисты считают, что изготовление таких отражателей с необходимой точностью очень сложно, поэтому они цока не находят широкого применения.

5.9. Дипольные отражатели

Задача эффективного использования диполей для схем радиопротиводействия различного назначения занимает одно из главных мест в разработках зарубежных специалистов. Воздействие ди­ польных отражателей на РЛС сопровождения и распознавания це­ лей проявляется:

— созданием шумового фона, маскирующего сигнал, отражен­ ный от истинной цели, что почти аналогично эффекту воздействия станций шумовых радиопомех;

188

пространстве (в некотором смысле прообраз резонансных диполь­ ных решеток, используемых в качестве радиопоглощающих мате­ риалов) .

Метод экранирования электромагнитного излучения характери­ зуется тем, что в свободное пространство вносятся многочислен­ ные, настроенные приблизительно на частоту облучающей РЛС ди­ поли. Для оптимизации рассеивающих свойств диполей их длина должна равняться половине рабочей длины волны той радиолока­ ционной станции, против которой их предполагают применять. По­ скольку рабочая длина волны РЛС не всегда точно известна зара­ нее, в пачку помещают отражатели, несколько отличающиеся по длине.

Встратегических войсках США для создания пассивных радиопомех предполагается применять дипольные отражатели из стекло­ волокна с алюминиевым покрытием, обладающие значительными преимуществами перед диполями из алюминиевой фольги. Так, диаметр дипольных отражателей из металлизированного стеклово­ локна (около 0,025 мм) значительно меньше, чем дипольных отра­ жателей из алюминиевой фольги, что позволяет разместить в пач­ ке примерно в два раза больше дипольных отражателей из стекло­ волокна, чем отражателей из фольги. Кроме того, отражатели из стекловолокна менее подвержены спутыванию после их разде­ ления.

Вкачестве диполей могут быть использованы и куски проволо­ ки, активная нагрузка которых подбирается (материалом отража­

теля с соответствующим удельным сопротивлением).

Коэффициент ослабления {3 электромагнитной энергии в облаке

диполей с концентрацией п дилолей/м3 при условии, что элемен­ тарный объем облака с площадью 1 м2 и толщиной dx рассеивает энергию пропорционально его ЭПР, определяется выражением [5.51]. В этом случае ослабление отраженной энергии при локации цели, скрытой в облаке дипольных отражателей, составит

где х — расстояние от края облака до маскируемой цели, м; Р — коэффициент ослабления, дб/м.

Например, полагая, что облако диполей является экранирую­ щим (дальность действия РЛС уменьшается в 5—10 раз), из основного уравнения радиолокации получим величину поглощения электромагнитной энергии равную 30—40 дб. Значения коэффи­ циента ослабления, определяемые выражением [5.51], для п = = 0,06—0,08 м-3 составляют 30—40 дб/км (для Х= 80 см). Концен­ трации дипольных отражателей, соответствующие поглощению электромагнитной энергии в 30—40 дб, в диапазоне длин волн

187

10—20 см составляют единицы штук диполей в 1 м3 свободного пространства. При учете поломки и слипания диполей при их раз­ бросе в космическом пространстве, работы РЛС на нескольких частотах и других причин поглощение электромагнитной энергии оказывается недостаточным для маскировки ГЧ с заданной эффек­ тивностью. Воздействие диполей на РЛС обычно оценивается по ЭПР диполей, находящихся в одном им­

пульсном объеме V РЛС, границы

Облако диполь.

Рис. 5.20. К обнаружению облака дипольных отражателей радиолокатором ПАР:

с— скорость распространения электромагнитных волн в сво­ бодном пространстве.

При равномерном распределении дипольных отражателей в об­ лаке средняя ЭПР диполей, находящихся в импульсном объеме,

[5.54]

где си = 0,17 X2 — средняя ЭПР одного диполя.

Головная часть МБР не будет обнаружена в облаке диполей,

где игч — средняя ЭПР маскируемой ГЧ.

188

Важной характеристикой являются также размеры облака рас­ сеянных с требуемой плотностью дипольных отражателей, посколь­ ку эти размеры и определяют информационный ущерб, наносимый радиолокаторам ПРО (рис. 5.20, 5.21). По мнению американских специалистов [73], в настоящее время технически возможно создать облако, вытянутое вдоль траектории ГЧ, с размерами:

—средний диаметр 30—370 км;

—длина 160—900 км.

Например, для подавления РЛС ПАР такое облако может со­ держать одну или несколько ГЧ, станции активных радиопомех, ложные цели, около 50 обломков корцуса последней ступени МБР и около 100 млн. дипольных отражателей.

Рис. 5.21. Схема перехвата головной части МБР антиракетой «Спринт»

Эффект маскировки ГЧ путем создщця помехового дипольного фона иллюстрируется на примере РЛС ПАР (рис. 5 .20). Полагая, что ширина луча РЛС а = |3=1,2°, ти. с ж = 1 мксек, размеры облака составляют 370 и 900 км (диполи распределены равномерно), а

расстоянии 1300 км, соответствующем минимальной дальности под­ рыва АР «Спартан», будет содержаться 80 дипольных отражателей

делает невозможным распознавание ГЧ станцией ПАР в указан­ ных условиях *.

Следует заметить, что, поскольку средняя ЭПР обломков кор­ пуса МБР составляет несколько квадратных метров, возможна их селекция на внеатмосферном участке траектории.

* Дальнейшее сжатие импульса РЛС ПАР ти = 250 мксек до тисж =0,01 мксек, как нетрудно показать, также не решает задачи распознавания головной части.

189