www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Podstawy radiolokacji

Mechanizmy odbicia i rozproszenia

Rysunek 1: Mechanizmy odbicia i rozproszenia na przykładzie samolotu Airbus A320

Rysunek 1: Mechanizmy odbicia i rozproszenia na przykładzie samolotu Airbus A320

Mechanizmy odbicia i rozproszenia

Sygnał echa samolotu składa się z komponentów generowanych przez różne mechanizmy odbicia i rozpraszania. Istnieją trzy podstawowe mechanizmy fizyczne, które przyczyniają się do przekrój radaru (RCS) celu. Są to odbicia zwierciadlane lub fale rozproszone generowane na nagłych nieciągłościach (np. dyfrakcja na szczytach, krawędziach i narożnikach) lub fale powierzchniowe - powierzchnia działa jak linia transmisyjna, prowadząc fale wzdłuż jej powierzchni. Głównymi źródłami odbitej lub rozproszonej energii w typowym samolocie są:[1][2]

  1. dyfrakcja (rozproszenie) na końcówce
  2. Odbicie zwierciadlane
  3. Sygnał echa od krążących fal pełzających
  4. Dyfrakcja na krawędzi
  5. Dyfrakcja na narożniku
  6. Sygnał echa spowodowany przemieszczającymi się falami
  7. Odbicia wielokrotne
  8. Odbicia na połączeniach materiałów
  9. Sygnały echa z wielokrotnych odbić we wnękach
  10. Odbicia przy nieciągłościach powierzchni
Czoło fali

Rysunek 2: Źródła sygnału echa są nałożone na siebie w różnych pozycjach fazowych.

Czoło fali

Rysunek 2: Źródła sygnału echa są nałożone na siebie w różnych pozycjach fazowych.

Odbicie zwierciadlane

Powierzchnia odbijająca to dowolna powierzchnia celu, która jest ustawiona prostopadle do linii wzroku radaru. Płaskie powierzchnie zapewniają szczególnie duże echa w kierunku odbicia, ale siła sygnału echa znacznie spada z dala od tego kierunku. Echa lustrzane z pojedynczych i podwójnie zakrzywionych powierzchni (powierzchnie cylindryczne i sferyczne) są nieco słabsze niż te z płaskich powierzchni, ale są bardziej spójne ze zmianami kąta oświetlenia radaru.

Wielokrotne odbicia

Stosunkowo silne sygnały echa mogą wystąpić, gdy dwie powierzchnie są ustawione podobnie do reflektora kątowy radaru, jak pokazano na rysunku 1 na przykładzie ⑦. Podobne interakcje zachodzą z celami statków, gdy grodzie, poręcze, maszty i inne nadbudówki odbijają się od powierzchni wody.

Sygnał echa od krążących fal pełzających

Fala pełzająca to fala, która jest związana z gładką, zacienioną powierzchnią, przemieszcza się wokół tylnej części gładkiego ciała, a następnie powraca do radaru, gdy ponownie pojawia się na granicy cienia po przeciwnej stronie. Poprzez rozpraszanie Mie, fala pełzająca powoduje, że sygnały echa z małych powierzchni sferycznych zmieniają się wraz z ich promieniem. Mechanizm fali pełzającej jest ważny tylko dla celów wojskowych i cywilnych przy bardzo niskich częstotliwościach.

Sygnał echa spowodowany falami przemieszczającymi się

Jeśli kąt padania jest bliski lub nawet równoległy do powierzchni, można wywołać przemieszczającą się falę powierzchniową. Fala powierzchniowa ma tendencję do narastania w kierunku tylnej części ciała i jest zwykle odbijana do przodu od wszelkich nieciągłości (niedopasowań). Ruchome echo fali może osiągnąć rozmiar prawie jak odbicie lustrzane.

Rysunek 3: Złożony wykres odbicia Airbusa A320 w funkcji kąta nachylenia.

Rysunek 3: Złożony wykres odbicia Airbusa A320 w funkcji kąta nachylenia.

Dyfrakcja na końcach, krawędziach i narożnikach

Sygnały echa spowodowane dyfrakcją na końcach, krawędziach i narożnikach są znacznie mniejsze niż w przypadku odbicia zwierciadlanego i mają znaczenie dla projektanta samolotu tylko wtedy, gdy większość innych źródeł echa została już stłumiona. Echa z końców i narożników są związane z projektem i mają tendencję do zwiększania się wraz z kwadratem długości fali, a nie z rozmiarem elementu powierzchni. Dlatego stają się one coraz mniej znaczące wraz ze wzrostem częstotliwości nośnej nadajnika.

Odbicia we wnękach i na nieciągłościach powierzchniowych

Większość samolotów ma wąskie szczeliny lub przerwy między powierzchniami sterowymi a stałą częścią samolotu. Te szczeliny i przerwy, a nawet łby nitów przy wyższych częstotliwościach, mogą odbijać energię z powrotem do radaru. W otworach, na przykład wlotach silnika lub oknach kokpitu, silne sygnały echa mogą być generowane przez wielokrotne odbicia. Z tego powodu szklane powierzchnie osłony kokpitu samolotów wojskowych są pokryte cienką warstwą metalu. Deshalb werden bei militärischen Flugzeugen die Glasflächen der Cockpit-Haube mit einer dünnen Metallschicht bedampft.

 

Nie wszystkie z tych mechanizmów muszą wystąpić dla każdego celu, ale wszystkie źródła echa, które występują, nakładają się na siebie z powodu najmniejszych różnic w odległości i fazie. W niektórych kierunkach wszystkie źródła mogą sumować się w fazie, co skutkuje dużym obszarem odbicia. W innych kierunkach niektóre źródła mogą niwelować inne źródła, co skutkuje bardzo małą powierzchnią odbicia. W sumie tworzą one złożony wzór odbicia, którego wartości zależą od kąta nachylenia. Efektywna powierzchnia odbicia może zatem wahać się o ponad 30 dB, co jest zauważalne jako utrata fluktuacji.

Źródła:

  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