www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Reflectie- en verstrooiingsmechanismen

Figuur 1: Reflectie- en verstrooiingsmechanismen aan de hand van het voorbeeld van een Airbus A320

Figuur 1: Reflectie- en verstrooiingsmechanismen aan de hand van het voorbeeld van een Airbus A320

Reflectie- en verstrooiingsmechanismen

Het echosignaal van een vliegtuig bestaat uit componenten die worden gegenereerd door verschillende reflectie- en verstrooiingsmechanismen. Er zijn drie fysische basismechanismen die bijdragen aan het effectieve reflecterende oppervlak (RCS) van een doel. Dit zijn ofwel speculaire reflecties of verstrooide golven gegenereerd op abrupte discontinuïteiten (bv. diffractie op pieken, randen en hoeken) of oppervlaktegolven - het oppervlak werkt als een transmissielijn en leidt de golven langs het oppervlak. De belangrijkste bronnen van gereflecteerde of afgebogen energie op een typisch vliegtuig zijn:[1][2]

  1. Diffractie (breking) bij een punt
  2. Speculaire reflectie
  3. Echo signaal van circulerende kruipende golven
  4. Diffractie aan een rand
  5. Diffractie bij een hoek
  6. Echosignaal als gevolg van reizende golven
  7. Meervoudige reflecties
  8. Reflecties bij materiaalverbindingen
  9. Echosignalen van meervoudige reflecties in holtes
  10. Reflecties bij discontinuïteiten aan het oppervlak
Golffront

Figuur 2: Deze echosignaalbronnen zijn over elkaar gelegd met verschillende faseposities

Golffront

Figuur 2: Deze echosignaalbronnen zijn over elkaar gelegd met verschillende faseposities

Speculaire reflectie

Een terugverstrooiend of reflecterend oppervlak is elk doeloppervlak dat loodrecht op de gezichtslijn van de radar staat. Vlakke oppervlakken geven bijzonder grote echo's in de reflectierichting, maar de sterkte van het echosignaal neemt aanzienlijk af buiten deze richting. Spiegelecho's van enkelvoudig en dubbel gekromde oppervlakken (cilindrische en bolvormige oppervlakken) zijn iets zwakker dan die van vlakke oppervlakken, maar ze zijn consistenter met veranderingen in de belichtingshoek van de radar.

Meervoudige reflecties

Relatief sterke echosignalen kunnen optreden wanneer twee oppervlakken op dezelfde manier zijn uitgelijnd als een hoekige radarreflector zoals getoond in Figuur 1 aan de hand van het voorbeeld ⑦. Vergelijkbare interacties treden op bij scheepsdoelen wanneer schotten, relingen, masten en andere bovenbouw worden gereflecteerd op het wateroppervlak.

Echosignaal van circulerende kruipgolven

Een kruipgolf is een golf die gebonden is aan een glad, in de schaduw liggend oppervlak, rond de achterkant van een glad lichaam reist en dan terugkeert naar de radar wanneer hij aan de andere kant weer op de schaduwgrens verschijnt. Door Mie-verstrooiing zorgt de kruipgolf ervoor dat de echosignalen van kleine bolvormige oppervlakken variëren met hun straal. Het mechanisme van de kruipende golf is alleen belangrijk voor militaire en civiele doelen bij zeer lage frequenties.

Echosignaal door lopende golven

Als de invalshoek dicht bij of zelfs parallel aan het oppervlak is, kan een lopende oppervlaktegolf worden geïnduceerd. De oppervlaktegolf heeft de neiging zich op te bouwen naar de achterkant van het lichaam en wordt meestal naar voren gereflecteerd vanaf elke discontinuïteit (mismatch). Echo's van reizende golven kunnen een grootte bereiken die bijna lijkt op een speculaire reflectie.

Figuur 3: Complex reflectiediagram van een Airbus A320 als functie van de aspecthoek.

Figuur 3: Complex reflectiediagram van een Airbus A320 als functie van de aspecthoek.

Diffractie aan uiteinden, randen en hoeken

De echosignalen veroorzaakt door diffractie bij uiteinden, randen en hoeken zijn aanzienlijk kleiner dan bij speculaire reflectie en zijn alleen van belang voor de vliegtuigontwerper als de meeste andere echobronnen al zijn onderdrukt. De echo's van uiteinden en hoeken zijn ontwerpgerelateerd en hebben de neiging om toe te nemen met het kwadraat van de golflengte, niet met de grootte van een oppervlaktekenmerk. Ze worden daarom steeds minder belangrijk naarmate de draaggolffrequentie van de zender toeneemt.

Reflecties in holtes en bij oppervlakteonderbrekingen

De meeste vliegtuigen hebben smalle gleuven of spleten tussen de stuurvlakken en het vaste deel van het vliegtuig. Deze gleuven en spleten, en zelfs klinknagelkoppen bij hogere frequenties, kunnen energie terugkaatsen naar de radar. Binnen openingen, bijvoorbeeld de motorinlaten of cockpitramen, kunnen weer sterke echosignalen worden gegenereerd door meervoudige reflecties. Daarom zijn de glazen oppervlakken van de cockpitkap van militaire vliegtuigen voorzien van een dunne metaallaag.

 

Niet al deze mechanismen hoeven voor elk doel voor te komen, maar alle echobronnen die voorkomen overlappen elkaar door de kleinste verschillen in afstand en fase. In sommige richtingen kunnen alle bronnen in fase optellen, wat resulteert in een groot reflectiegebied. In andere richtingen kunnen sommige bronnen andere bronnen opheffen, wat resulteert in een zeer laag reflectieoppervlak. Samen vormen ze een complex reflectiepatroon waarvan de waarden afhangen van de aspecthoek. Het effectieve reflectieoppervlak kan daarom meer dan 30 dB fluctueren, wat merkbaar is als fluctuatieverlies.

Bronnen:

  1. Eugene F. Knott, “Radar observables,” in Tactical Missile Aerodynamics: General Topics, Vol. 141, M. J. Hemsch, ed., Washington, DC: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1992, Chap. 4.
  2. Eugene F. Knott, “Radar Cross Section,” in M. Skolnik: “Radar Handbook”, Third Edition, McGraw-Hill Education, 2008, ISBN 9780071485470, page 14.2f