Radar Basics

Efektivní odrazná plocha

Schopnost radarového cíle odrážet elektromagnetickou energii, která na něj dopadá, je charakterizována efektivní odrazovou plochou (σ). Měrnou jednotkou tohoto parametru je metr čtvereční (m²). Anglický název je Radar Cross Section, který se stal často používanou zkratkou RCS.

Definice.

Efektivní odrazná plocha označuje plochu ekvivalentního izotropního odrazníku, který po umístění v místě cíle vytváří na otvoru přijímací antény stejnou hustotu toku výkonu jako skutečný cíl. Efektivní odrazná plocha je tedy abstrakcí, modelem, který však umožňuje odhadnout odrazivost radarového cíle. Efektivní odraznou plochu lze samozřejmě použít i k odhadu radarové viditelnosti cíle.

Hodnota efektivní odrazné plochy je ovlivněna mnoha faktory, z nichž hlavní jsou následující:

• Velikost a geometrický tvar cíle;
• úhel pohledu na cíl, který určuje, která část povrchu cíle je ozařována sondážní elektromagnetickou vlnou.
• Pracovní frekvence radaru, přesněji poměr mezi vlnovou délkou lokátoru a charakteristickými rozměry cíle.
• Elektrické vlastnosti materiálu, z něhož je cílová struktura vyrobena.

Vliv těchto faktorů je komplexní, a proto je třeba je také posuzovat společně.

Obrázek 2: Letoun F-117 postavený s technologií zmírnění radaru „Stealth“

Letoun F-117 byl zkonstruován s využitím technologie „Stealth“ snižující radiolokační záření. Jeho konstrukční vlastnosti a vlastnosti nanesených povlaků zajišťují nízké hodnoty efektivní odrazné plochy pro centimetrové vlnové délky, které využívají radary protiletadlových raketových (dělostřeleckých) komplexů. Radary v metrovém vlnovém rozsahu (P-12 a P-18) však taková letadla úspěšně detekují. Tato situace nastala v praxi během bojových operací v bývalé Jugoslávii (1999).

Výpočet efektivní odrazné plochy

Analytické výrazy pro výpočet účinnosti rozptylu lze odvodit pouze pro omezený soubor cílů s jednoduchým tvarem povrchu. Většina radarových cílů má složitý geometrický povrch a k určení jejich efektivní odrazné plochy se používají fyzikální měření, jakož i metody fyzikálního nebo matematického modelování.

Obrázek 1 ukazuje experimentálně odvozený koláčový graf efektivní odrazné plochy letounu B–26 na frekvenci 3 GHz (podle Skolnika). Výchozí matematický výraz pro výpočet efektivní odrazné plochy v případě kombinovaného příjmu (umístění na jednom místě) lze znázornit ve tvaru:

Vzorce pro výpočet efektivní odrazné plochy některých jednoduchých tvarových objektů jsou uvedeny v tabulce 1 níže. Jsou odvozeny, když je vlnová délka λ radaru mnohem menší než charakteristická velikost cíle a povrch objektu je dokonale vodivý.

vzorec pro výpočet efektivní odrazné plochy koule o poloměru r	σmax = π r2 (2)
vzorec pro výpočet efektivní odrazné plochy z válce délky h s poloměrem podstavy r	σmax = 2π r h2 (3) λ
vzorec pro výpočet efektivní odrazné plochy obdélníkové desky se stranami b a h, kolmé na směr sondování	σmax = 4π b2 h2 (4) λ2

Tabulka 1: Vzorce pro výpočet efektivní odrazné plochy některých jednoduchých tvarových objektů

Obrázek 3: Koláčový diagram efektivní odrazné plochy bombardovacího letadla pro vlnovou délku 3 až 5 m

Obrázek 3: Koláčový diagram efektivní odrazné plochy bombardovacího letadla pro vlnovou délku 3 až 5 m

Poslední obrázek v tabulce 1 ukazuje situaci, kdy je plochá deska umístěna šikmo ke směru sondy. V této situaci se sondážní elektromagnetická vlna rozptýlená takovým objektem prakticky neodráží ve směru radaru, a proto má jeho efektivní odrazná plocha malé hodnoty. Tato metoda se používá ke snížení radarové signatury letounu F-117 (obrázek 2), jehož povrch je tvořen velkým počtem šikmých desek. Tyto desky jsou orientovány tak, že když na ně dopadá sondážní elektromagnetická vlna z přední polokoule (kde se obvykle nachází protivzdušná obrana nepřítele), odražené vlny směřují do zadní polokoule.

Bistatické radarové systémy, u nichž jsou vysílací a přijímací stanoviště od sebe vzdálena, jsou pro detekci takových cílů účinnější.

Efektivní odrazná plocha objemových cílů

Geometrické rozměry většiny typů radarových cílů nepřesahují velikost impulsního objemu radaru určeného k jejich detekci. Cíle s těmito rozměry se nazývají bodové cíle. Efektivní odrazná plocha takových cílů je určena interakcí sondážní elektromagnetické vlny odražené od tzv. lesklých bodů. „Lesklé body“ jsou prvky cílového povrchu, které za daných podmínek zobrazení (vlnová délka radaru, sondážní úhel) nejvíce přispívají k rozptylovému poli objektu, a tedy k efektivní odrazné ploše. V závislosti na vzájemném uspořádání „svítících“ bodů a směru pozorování mohou mít jimi odražené vlny různé fázové poměry: od fázových (pak intenzita výsledného odrazu roste) až po protifázové (intenzita odrazu klesá). Právě tento efekt určuje oscilační charakter rozptylového pole v závislosti na úhlu pozorování s kruhovým diagramem rozptylového pole (viz obrázek 3).

Všimněte si, že rychlost oscilace efektivní odrazné plochy v závislosti na úhlu pohledu je určena poměrem mezi vlnovou délkou radaru a charakteristickou velikostí cíle: čím menší je vlnová délka v porovnání s velikostí cíle, tím větší je oscilace efektivní odrazné plochy (obrázek 3).

Vzhledem k velkým rozdílům v efektivní odrazné ploše je někdy vhodné ji vyjádřit v logaritmické stupnici, např. v decibelech (dB) na jednotku plochy (1 m²).

Tabulka 2 uvádí efektivní odrazné plochy (v metrech čtverečních a v decibelech) některých typických radarových cílů pro rozsah X.