Radar Basics

Rayleighův a Mieho rozptyl

Jedním z jevů, na nichž je založena teorie a praxe radaru, je sekundární vyzařování objektů, které jsou radarovými cíli. Spočívá v tom, že objekt, ke kterému elektromagnetická vlna dorazila, ji rozptyluje do všech směrů, tj. sám se stává zdrojem záření. Při uvažování vázané (jednopolohové, monostatické) radiolokace je zajímavá ta část rozptýlené vlny, která směřuje od objektu k radaru, tj. ve směru opačném, než je směr jejího příchodu. V tomto případě tedy hovoříme o zpětném sekundárním vyzařování objektu.

Intenzita zpětného sekundárního záření patří mezi parametry systému radar-cíl, které určují účinnost radaru. Tento parametr významně ovlivňuje zejména dosah detekce cíle. Efektivní plocha rozptylu cíle se používá ke kvantifikaci intenzity sekundárního zpětného rozptylu. Kromě údajů o efektivní rozptylové ploše cíle je však nutné znát i způsob rozptylu elektromagnetické vlny na různých objektech. To umožňuje interpretovat radarové výsledky z různých frekvenčních pásem.

Většina radarových cílů má složitý tvar, který může zahrnovat různé geometrické objekty: vypouklé povrchové plochy, různé zlomy a hrany, dutiny a podobně. Rozptyl vln na každém z těchto objektů má svůj vlastní mechanismus. S přesností přijatelnou pro technické účely lze konstatovat, že hlavní podíl na zpětném sekundárním záření bude mít rozptyl na hladkých konvexních plochách cílového povrchu. Nejjednodušším příkladem takové plochy je koule. Rozptyl vln na kouli je modelový problém, který má přesné řešení.

Na obrázku 1 je znázorněn graf efektivní rozptylové plochy σ koule jako funkce poměru jejího poloměru r k délce vlny λ, která na ni dopadá. Graf lze rozdělit na tři úseky, z nichž každý má vlastní charakter efektivní rozptylové plochy koule. Optický graf odpovídá situaci, kdy je poloměr koule výrazně větší než vlnová délka: (2π·r/λ);>10. V této oblasti je efektivní rozptylová plocha koule prakticky nezávislá na vlnové délce a je určena následujícím vztahem:

Obrázek 2: Časové zpoždění cirkulační vlny vůči přímo odražené vlně

Obrázek 2: Časové zpoždění cirkulační vlny vůči přímo odražené vlně

Tento vztah je porušen, když se vlnová délka stane souměřitelnou s obvodem koule, tj. když λ ≈ 2·π·r. V tomto případě vzniká zpětné sekundární záření interakcí vlny odražené od čela (vzhledem k radaru) koule a vlny procházející koulí (plíživá vlna). Výsledek této interakce je dán fázovým rozdílem mezi přímou a plíživou vlnou. Tento fázový rozdíl se mění s vlnovou délkou a závislost efektivní rozptylové plochy koule je oscilující funkcí, jak je vidět na obrázku. Nejvyšší hodnota (bod A) je čtyřnásobkem hodnoty v této části a nejnižší (bod B) je čtyřnásobkem hodnoty v optické části. Kmitavý charakter závislosti efektivní rozptylové oblasti na vlnové délce způsobuje, že se tato oblast nazývá rezonanční oblast nebo Mieho rozptylová oblast podle německého vědce, který vyřešil příslušný elektrodynamický problém.

Jako příklad uveďme kouli o poloměru 1 metr, která je rozptylovačem (Obrázek 2). U takové koule se rezonanční charakter rozptylu vyskytuje při frekvenci sondování 95 MHz a ustálený charakter rozptylu (optický řez) se vyskytuje při frekvenci 950 MHz a vyšší.

Oblast, kde je poloměr koule menší než vlnová délka sondáže, se nazývá oblast „Rayleighova rozptylu“, pojmenovaná po britském vědci lordu Rayleighovi, který zjistil závislost intenzity rozptýleného světla na vlnové délce. V této části je hodnota efektivní rozptylové plochy určena podle vzorce:

Typickým příkladem provozu v oblasti Rayleighova rozptylu jsou meteorologické radary.

Vlnové pásmo odpovídající Mieho (rezonančnímu) rozptylu pro radarové systémy protivzdušné obrany a řízení letového provozu dosahuje dolní hranice pásma L. Při frekvencích nad 1 GHz je rozptyl převážně optický.

Radary v metrovém pásmu vyvinuté bývalým Sovětským svazem mají pracovní rozsah 145 až 175 MHz, což odpovídá druhému maximu v rezonanční oblasti rozptylu (nad bodem B na obrázku 1) pro geometrické rozměry stíhacího letounu.