2. Дальность действия радиолокационной станции с активным ответом

Условимся все величины, относящиеся к запросчику, дополнять индексом «з», а относящиеся к ответчику — индексом «о». При этом плотность потока мощности у цели, снабженной ответчиком и удаленной от запросчика на расстояние D, записывается в виде

(11)

где — мощность излучения запросчика; — КНД антенны запросчика. Умножив на эффективную площадь антенны ответчика , получим мощность запросного сигнала на входе приемника ответчика:

(12)

Максимальная дальность действия канала запроса соответствует порогу приемника ответчика :

(13)

Выразив эффективную площадь антенны ответчика через ее КНД и длину волны запросного сигнала , представим максимальную дальность действия этого канала:

(14)

По аналогии выразим максимальную дальность системы по каналу ответа

(15)

Характерно, что в полученных формулах фигурирует корень квадратный, а для систем с пассивным ответом — корень четвертой степени. Этим подтверждается, что действия систем с активным ответом при прочих равных условиях значительно больше дальности активной радиолокации по пассивным целям.

Проектируя систему с активным ответом, стремятся ее сбалансировать, т. е. уравнять дальности по запросному и ответному каналам, так как при неравенстве и дальность действия системы определяется меньшей из этих величин.

Согласно (14) и (15) в сбалансированной системе = имеем:

(16)

Выполнение этого условия облегчается тем, что одна из станций, обычно запросчика, стационарная: в ней можно использовать более мощный передатчик и более чувствительный приемник , обеспечив этим равенство (16).

Таким образом, при активной радиолокации с активным ответом необходимых энергетических соотношений добиться проще из-за активного характера цели.

3. Эффективная площадь рассеяния объектов

Радиолокационные цели можно разделить на элементарные и сложные. Элементарные цели имеют простейшую форму: предполагается, что они изготовлены из металла и полностью отражают ЭМВ. ЭПР элементарных целей вычисляют из простых соотношений.

Сложные цели — это самолеты, корабли, земная и водная поверхности, в общем, все те объекты, ЭПР которых можно определить только экспериментально или в результате сложных расчетов, выполняемых с помощью цифровых вычислительных машин.

Рассмотрим сначала элементарные цели: шар, полуволновой вибратор, плоский лист и уголковый отражатель. Поскольку это вторичные излучатели, к ним применимы такие понятия теории антенн, как КНД цели в направлении

РЛС и эффективная площадь цели с учетом ( ) и без учета ( ) ее направленности, причем:

(17)

Шар, радиус которого а значительно больше длины волны λ. При соотношении а>>λ дифракции практически нет: волны не огибают шар и перекрываются только его поперечным сечением π . Отсюда эффективная площадь шара , но так как шар направленными свойствами не обладает( = 1), то его ЭПР:

(18)

Цель в виде полуволнового вибратора. Такая цель (рис. 1) имеет ЭПР:

(19)

где θ — зенитный угол, т. е. угол между осью вибратора ОО' и направлением потока мощности П принимаемой ЭМВ; γ – угол между вектором напряженности электрического поля Е и осью вибратора (вектор напряженности магнитного поля Н, показанный на рисунке, ориентирован в соответствии с векторами Е и П).

В формуле (19) учтены направленные свойства и поляризация вибратора: с увеличением зенитного угла θ от 0 до 90° КНД полуволнового вибратора возрастает от 0 до 1,64. Такое же увеличение угла γ уменьшает э. д. с, наводимую в вибраторе, от максимума до нуля, так как наибольшая э. д. с. получается, когда вектор Е параллелен оси вибратора, а когда они взаимно перпендикулярны, э. д. с. вовсе не наводится. Увеличение длины волны λ, равносильное удлинению полуволнового вибратора, увеличивает наводимую э.д.с и мощность отраженных от вибратора волн;

Рис. 1. Определение ЭПР полуволнового вибратора

Если волны, излучаемые РЛС, поляризованы таким образом, что вектор Е находится в меридиональной плоскости вибратора (эта плоскость проходит через ось ОО'), то и формула (19) упрощается:

(20)

При θ = 90° и γ = 0° ЭПР полуволнового вибратора достигает максимума: . В реальных условиях углы θ и γ принимают любые значения и поэтому эффективная площадь с равной вероятностью принимает значения от 0 до 0,86 .

Цель в виде прямоугольной площадки со сторонами а и b (рис. 2). Если направление на РЛС перпендикулярно данной площадке, то падающая ЭМВ облучает его геометрическую площадь ab равномерно и синфазно. Значит, падающая волна полностью перехватывается площадкой ( ), которой, как известно из теории антенн, соответствует максимальный КНД . Перемножая и получаем максимальную ЭПР листа

(21)

КНД цели при отклонении направления РЛС — цель от перпендикуляра к площадке изменяется весьма значительно в соответствии с ДН прямоугольной площадки, имеющей многолепестковую структуру. Это приводит к примерно такому же изменению эффективной отражающей площади цели . Таким образом, в данном случае наблюдается еще большее, чем в предыдущем случае, влияние на ориентации отражающей поверхности цели относительно направления РЛС — цель.

Рис. 2. Определение ЭПР прямоугольной площадки

Уголковый отражатель. Искусственными целями могут служить, например, трехгранные отражатели со взаимно перпендикулярными сторонами (рис. 3). При облучении одной грани волны от нее отражаются ко второй, затем к третьей и обратно к РЛС. Такая концентрация отраженных волн соблюдается для всех лучей, падающих в заштрихованный на рисунке шестиугольник с размером а внешней стороны одной грани.

Рис. 3. Определение ЭПР трехгранного уголкового отражателя

Следовательно, уголковый отражатель эквивалентен плоской пластине, нормальной падающему лучу и имеющей площадь заштрихованного шестиугольника . Соответственно КНД пластины

(22)

а ЭПР уголкового отражателя

(23)

Пример 4.1. Сравнить ЭПР металлических элементарных целей в виде шара радиусом а, полуволнового вибратора, квадратного листа со стороной а и трехгранного уголкового отражателя, причем длина волны λ = 3 см и размер а=30 см.

ЭПР шара

полуволнового вибратора (в максимуме)

квадратного листа (в максимуме)

и уголкового отражателя

Следует обратить внимание на то, что даже, при сравнительно малых размерах трехгранный отражатель имеет большую ЭПР и не только при облучении по нормали, но и при значительном отклонении от нее — до 45° в отличие от прямоугольной пластины.

Сложные цели. Большинство реальных радиолокационных целей имеет сложную конфигурацию и состоит из множества простых отражателей. Волны, отраженные от них, интерферируют, и в результате этого амплитуда и фаза радиолокационного сигнала оказываются а большой мере зависящими от взаимного расположения РЛС и цели. Диаграмма переизлучения получается многолепестковой с шириной отдельных лепестков порядка десятых долей градуса.

Для движущейся цели, особенно при ее маневрировании, характерны хаотическое изменение положения отражающих элементов цели относительно РЛС и, как следствие, случайные пульсации ЭПР (рис.4), Эти флуктуации достигают десятков децибел и имеют спектр частот от нуля до сотен герц. Наиболее интенсивные флуктуации наблюдаются на частотах, меньших 10 Гц.

Рис. 4. Диаграмма ЭПР двухмоторного самолета

Таким образом, в радиолокации не только шумы, но и сигналы имеют случайный характер, и это снижает эффективность обнаружения целей.