Основи радіолокації

Ефективна площа вторинного випромінення

Здатність радіолокаційної цілі відбивати падаючу на неї електромагнітну енергію характеризується її ефективною площею вторинного випромінення (σ). Одиницею вимірювання цього параметру є квадратний метр (м²). В літературі з радіолокації також можливо зустріти й інші назви: ефективна поверхня розсіювання, ефективна поверхня цілі, ефективна площа цілі, ефективна площа розсіювання, радіолокаційний поперечний переріз. Надалі будемо використовувати визначений державним стандартом України ДСТУ 2663-94 «Радіолокація, Терміни та визначення» термін «ефективна площа вторинного випромінення цілі (ЕПЦ)».

Визначення

Ефективна площа вторинного випромінення цілі — площа поверхні такого еквівалентного вторинного випромінювача, який ізотропно (тобто рівномірно в усі боки) розсіюючи енергію хвилі, що падає, створює в точці приймання таку ж щільність потоку енергії, як і реальна ціль. Таким чином, ЕПЦ є абстракцією, моделлю, яка дає можливість оцінити відбивальну здатність цілі. Очевидно, що ЕПЦ може використовуватися й для оцінювання радіолокаційної помітності цілі.

На величину ЕПЦ впливають багато факторів, до основних з яких відносяться такі:

• розміри і геометрична форма цілі;
• ракурс спостереження цілі, що визначає, яка саме частина поверхні цілі опромінюється зондувальною електромагнітною хвилею;
• робоча частота радіолокатора, а точніше, співвідношення між довжиною хвилі локатора та характерними розмірами цілі;
• електричні властивості матеріалу, з якого виконана конструкція цілі.

Вплив перерахованих факторів є комплексним і тому враховувати їх треба також спільно.

Рисунок 2. Літак F-117, побудований із застосуванням технології зниження радіолокаційної помітності «Stealth»

Літак F-117 розроблений із застосуванням технології зниження радіолокаційної помітності «Stealth». Особливості його конструкції та властивості застосованих покриттів забезпечують низькі значення ЕПЦ для сантиметрових хвиль, що використовуються радіолокаторами зенітних ракетних (артилерійських) комплексів. Однак радіолокатори метрових хвиль (наприклад, типу П-12 «Єнісей»  або П-18 «Терек»  успішно виявляють такі літаки. Така ситуація мала місце на практиці під час бойових дій в колишній Югославії (1999).

Розрахунок ЕПЦ

Аналітичні вирази для розрахунку значень ЕПЦ можуть бути отримані лише для обмеженого набору цілей, що мають простую форму поверхні. Більшість цілей мають складну геометричну форму поверхні і для визначення їх ЕПЦ застосовуються натурні вимірювання, а також методи фізичного або математичного моделювання.

На Рисунку 1 зображена отримана експериментально кругова діаграма ЕПЦ літака В-26 для частоти 3 ГГц (за Сколником).

Вихідний математичний вираз для розрахунку ЕПЦ у випадку суміщеного прийому (однопозиційної локації) може бути представлено у вигляді:

Нижче, в Таблиці 1, наведені формули для розрахунку ЕПЦ деяких об’єктів простої форми. Формули отримані для випадків, коли довжина хвилі λ радіолокатора набагато менше характерного розміру цілі, а поверхня об’єкту є ідеально провідною.

формула для розрахунку ЕПЦ сфери радіусу R	σmax = π r2 (2)
ормула для розрахунку ЕПЦ циліндру довжини h з радіусом основи r	σmax = 2π r h2 (3) λ
формула для розрахунку ЕПЦ прямокутною пластини зі сторонами b та h, розташованої перпендикулярно напрямку зондування.	σmax = 4π b2 h2 (4) λ2

Таблиця 1 — Формули для розрахунку ЕПЦ деяких об’єктів простої форми

Рисунок 3. Кругова діаграма ЕПЦ літака типу бомбардувальник для довжини хвилі від 3 до 5 метрів

Рисунок 3. Кругова діаграма ЕПЦ літака типу бомбардувальник для довжини хвилі від 3 до 5 метрів

На останньому рисунку Таблиці 1 зображена ситуація, коли плоска пластина розташована під кутом до напрямку зондування. В даній ситуації розсіяна таким об’єктом електромагнітна хвиля практично не відбивається в напрямку радіолокатора і, значить, його ЕПЦ буде мати малі значення. Саме такий метод зниження радіолокаційної помітності застосовано в літаку F-117 (Рисунок 2), поверхня якого складається з великої кількості похилих пластин. Ці пластини орієнтовані таким чином, щоби при падінні на них електромагнітної хвилі з передньої півсфери (звідти, де, як правило, знаходяться засоби протиповітряної оборони противника), відбиті хвилі направлялися у задню півсферу.

Для виявлення подібних цілей більш ефективним є використання багатопозиційних радіолокаційних систем, в яких передавальні та приймальні пункти рознесені у просторі. Для обнаружения подобных целей более эффективным является использование бистатических радиолокационных систем, в которых передающие и приемные пункты разнесены в пространстве.

ЕПЦ точкових цілей

Геометричні розміри цілей більшості типів не перевищують розмірів імпульсного об’єму радіолокатора, призначеного для їх виявлення. Цілі, що мають такі розміри, називають точковими. ЕПЦ таких цілей визначається взаємодією електромагнітних хвиль, відбитих від так званих «блискучих» точок. «Блискучими» точками називають елементи поверхні цілі, які при заданих умовах спостереження (довжина хвилі радіолокатора, ракурс зондування) вносять найбільший внесок у розсіяне об’єктом поле, а значить, і в ЕПЦ. Залежно від взаємного розташування «блискучих» точок, а також напрямку спостереження, відбиті ними хвилі можуть мати різні фазові співвідношення: від синфазного (тоді інтенсивність результуючого відбиття зростає) до протифазного (інтенсивність відбиття зменшується). Саме цей ефект визначає осцилюючий характер ЕПЦ залежно від ракурсу спостереження, при цьому кругова діаграма ЕПЦ має зрізаний характер (Рисунок 1).

Слід відмітити, що швидкість осциляції ЕПЦ залежно від кута спостереження визначається співвідношенням між довжиною хвилі радіолокатора та характерними розмірами цілі: чим менша довжина хвилі порівняно із розмірами цілі, тим сильніша осциляція ЕПЦ (порівняйте рисунки 1 та 3).

Враховуючи значні коливання величини ЕПЦ, в деяких випадках зручно представляти її значення в логарифмічному масштабі, наприклад, в децибелах (дБ) відносно одиничної площі (1 м²).

В Таблиці 2 наведені значення ЕПЦ (в квадратних метрах та в децибелах) деяких типових радіолокаційних цілей для Х-діапазону.