www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Обратное вторичное излучение выпуклых объектов (рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми)

рэлеевский
диапазон
Mie
оптический
диапазон
A
B

Рисунок 1. Рэлеевский, резонансный и оптический диапазоны рассеяния волны на сфере

рэлеевский
диапазон
диапазон рассеяния Ми
(резонансный)
оптический
диапазон
A
B

Рисунок 1. Рэлеевский, резонансный и оптический диапазоны рассеяния волны на сфере

Обратное вторичное излучение выпуклых объектов (рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми)

Одним из явлений, на использовании которых основывается теория и практика радиолокации, является вторичное излучение объектов, являющихся радиолокационными целями. Оно состоит в том, что объект, до которого достигла электромагнитная волна, рассеивает ее во все стороны, то есть сам становится источником излучения. При рассмотрении совмещенной (однопозиционной, моностатической) радиолокации интерес представляет та часть рассеянной волны, которая направляется от объекта в сторону радиолокатора, то есть в направлении, обратном направлению ее прихода. Таким образом, в данном случае говорят об обратном вторичном излучении объекта.

Интенсивность обратного вторичного излучения относится к числу параметров системы «радиолокатор — цель», которые определяют эффективность радиолокатора. В частности, от этого параметра существенно зависит дальность обнаружения цели. Для количественной оценки интенсивности обратного вторичного излучения цели используется значение ее эффективной площади рассеяния. Однако, кроме данных об эффективной площади рассеяния цели необходимо знать как происходит рассеяние электромагнитной волны на различных объектах. Это дает возможность интерпретировать результаты работы радиолокаторов, работающих в разных диапазонах частот.

Большинство радиолокационных целей имеют сложную форму, в состав которой могут входить различные геометрические объекты: выпуклые участки поверхности, различные изломы и кромки, полости и тому подобное. Рассеяние волн на каждом из этих объектов имеет свой механизм. С приемлемой для инженерных задач точностью можно утверждать, что основной вклад в обратное вторичное излучение будет вносить рассеяние на гладких выпуклых участках поверхности цели. Простейшим примером таких участков является сфера. Рассеяние волны на сфере является модельной задачей, которая имеет точное решение.

На Рисунке 1 приведен график зависимости эффективной площади рассеяния σ сферы от значения отношения ее радиуса r к длине падающей на нее волны λ. На графике можно выделить три участка, в пределах каждого из которых эффективная площадь рассеяния сферы носит свой характер. Оптический участок соответствует ситуации, когда радиус сферы заметно больше длины волны: (2π·r / λ) >10. На этом участке эффективная площадь рассеяния сферы практически не зависит от длины волны и определяется следующим соотношением:

σ = π·r2

Справедливость данного соотношения нарушается, когда длина волны становится соизмеримой с длиной окружности сферы, то есть при λ ≈ 2·π·r. В данном случае обратное вторичное излучение образуется за счет взаимодействия волны, отраженной передней (по отношению к радиолокатору) частью сферы и волны, обогнувшей сферу (ползущей волны). Результат этого взаимодействия определяется разностью фаз прямой и ползущей волн. С изменением длины волны эта разность фаз меняется и зависимость эффективной площади рассеяния сферы носит осциллирующий характер, что хорошо видно на рисунке. Наибольшее ее значение (точка А) на этом участке в четыре раза больше, а наименьшее (точка В) — в четыре раза меньше значения для оптического участка. Исходя из осциллирующего характера зависимости эффективной площади рассеяния от длины волны, этот участок называют резонансным диапазоном или участком рассеяния Ми, по имени немецкого ученого, получившего решение соответствующей задачи электродинамики.

Для примера рассмотрим в качестве рассеивателя сферу радиусом 1 (один) метр. Для такой сферы резонансный характер рассеяния наступает при частоте зондирования 95 МГц, а установившийся характер рассеяния (оптический участок) наступает при частоте 950 МГц и выше.

Участок, где радиус сферы меньше длины зондирующей волны, называют участком «рэлеевского рассеяния», по имени британского ученого лорда Рэлея, установившего зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны. На этом участке значение эффективной площади рассеяния определяется формулой:

σ = π·r2 · 7,11 · ( 2π·r / λ )4

Типичным примером работы в диапазоне рэлеевского рассеяния являются метеорологические радиолокаторы.

Диапазон волн, соответствующий рассеянию Ми (резонансному), для радиолокационных систем противовоздушной обороны и управления воздушным движением достигает нижних пределов L-диапазона. На частотах выше 1 ГГц рассеяние носит, преимущественно, оптический характер.

Радиолокаторы метрового диапазона разработки бывшего Советского Союза имеют рабочий диапазон 145 … 175 МГц, что соответствует второму максимуму на участке резонансного рассеяния (над точкой В на Рисунке 1) для геометрических размеров самолета-истребителя.