Глава 7. Физические основы радиолокационного обнаружения объектов

7.1. Радиолокационные цели и формирование отраженных сигналов

Физически всякий отражающий (рассеивающий) электромагнитные волны объект, называемый в радиолокации целью, является источником вторичного излучения. Если электропроводность, диэлектрическая или магнитная проницаемость среды резко изменяются, то при электромагнитном облучении поверхности раздела сред часть падающей энергии рассеивается, т. е. поверхность раздела становится источником вторичного излучения. Переизлученные и достигающие приемной антенны РЛС радиоволны называются отраженным или радиолокационным сигналом. Вторичное излучение принято разделять на зеркальное отражение, диффузное рассеяние и резонансное излучение в зависимости от характеристик облучаемого объекта, см. Рис. 7.1.

Рис.7.1. Классификация вторичных излучений

Зеркальное отражение наблюдается при облучении гладких поверхностей, размеры которых много больше длины λ_и волны облучающих радиоволн, а размеры шероховатостей не превосходят λ_и/16. В этом случае соблюдается закон зеркального отражения - угол падения равен углу отражения. Свойством диффузного рассеяния обладают большие поверхности с размерами шероховатостей порядка длины волны облучающих радиоволн. Резонансное излучение имеет место при размерах облучаемых объектов, кратных нечетному числу полуволн. В этом случае при определенной ориентации оси объекта относительно вектора поляризации радиоволн облучающего поля наблюдается интенсивное и направленное вторичное излучение, создающее сильный радиолокационный сигнал. Вторичное излучение зависит также от размеров и конфигурации отражающих объектов. Различают малоразмерные (точечные) и распределенные (по объему или поверхности) цели. Малоразмерными считают те цели, размеры которых много меньше элементов разрешения (разрешаемых расстояний) по дальности и угловым координатам. Если РЛС имеет разрешающую способность по дальности ∆D_мин, а угловая разрешающая способность по азимуту и углу места характеризуется разрешаемыми углами ∆α_мин, и ∆β_мин, то элементом разрешения по дальности будет разрешаемое расстояние ∆D_мин, а по азимуту и углу места - разрешаемые расстояния по азимуту ∆D _αмин = D ∆α_мин и углу места ∆D _{β мин} = D ∆β_мин , которые определяются угловым разрешением и дальностью D до места расположения объекта. Часто используют понятие элементарного (разрешаемого) объема РЛС, размеры которого ограничены разрешаемыми расстояниями или разрешаемой площадью, если облучается поверхность. Эти понятия необходимы при рассмотрении отражающих свойств распределенной цели.

Под распределенными целями понимают совокупность множества объектов, заполняющих объем или участок поверхности, размеры которых превышают элементы разрешения РЛС (разрешаемый объем или разрешаемую площадь). Такими отражающими объектами являются, например, дождевое облако или участок земной поверхности под самолетом. Отраженный сигнал в этих случаях является результатом сложения сигналов элементарных отражателей, оказавшихся в пределах элемента разрешения РЛС. Формирование отраженного сигнала даже для объектов простой конфигурации представляет собой сложный процесс, зависящий от ряда взаимодействующих факторов, в частности от поляризации волны, облучающей объект. Если падающая волна Е₁ содержит горизонтально и вертикально поляризованные компоненты E_1г и E_lв, то при отражении объектом происходит изменение ее поляризационной структуры волны,

т. е. (7.1)

где Е_2г, Е_2в - горизонтально и вертикально поляризованные компоненты отраженной волны; С₁₁, С₂₂ - комплексные коэффициенты, характеризующие прямые; С₁₂, С₂₁ - перекрестные преобразования компонентов падающей волны в соответствующие компоненты отраженной. Модули коэффициентов преобразования характеризуют изменение амплитуды, а аргументы - изменение фазы соответствующих компонентов. Матрицу комплексных коэффициентов отражения

называют поляризационной матрицей рассеяния цели. Она позволяет определить параметры волны, отраженной в направлении РЛС. Однако для измерения параметров отраженного сигнала у приемной антенны РЛС необходимо учесть изменения, которые претерпевает сигнал при его распространении в среде. Отражающие свойства цели необходимо знать при проектировании РЛС, в частности при расчете ее дальности действия. Удобной характеристикой цели в этом случае является ее эффективная площадь рассеяния.

Эффективной площадью рассеяния цели (ЭПР) σ_ц называют площадь поперечного сечения такого воображаемого объекта, который рассеивает всю падающую на него мощность изотропно, т. е. равномерно во все стороны, и при этом создает в месте расположения приемной антенны такой же сигнал, как и реальная цель. Если плотность потока мощности облучающей цель волны РЛС П₁, то при ЭПР цели σ_ц ею будет извлечена и изотропно рассеяна мощность Р₁ = σ_ц П₁. При расстоянии от цели до РЛС равном D плотность потока мощности отраженного сигнала у антенны РЛС

П₂ =P₁ /(4πD² )= σ_ц П₁ /(4πD² ). (7.2)

σ_ц =4πD² П₂ /П₁. (7.3)

Из этой формулы следует, что ЭПР имеет размерность площади; она не зависит ни от интенсивности облучающей волны, ни от расстояния D, поскольку при увеличении П₁ пропорционально меняется П₂ и отношение П₂/П₁ сохраняется неизменным, а при увеличении D это отношение меняется обратно пропорционально D².

ЭПР можно определить и путем измерения напряженности электрического поля облучающей цель волны E₁ и отраженной волны Е₂ в месте расположения РЛС: σ_ц =4πD² (E₂ /E₁)². (7.4)

При этом считают, что поляризации прямой и отраженной волн совпадают. В общем случае необходимо учитывать поляризационные характеристики антенны РЛС и объекта, а также среды распространения. В этом случае ЭПР записывают в виде матрицы

, (7.5)

где σ₁₁ =4πD² П_2Г /П_1Г ; σ₁₂ =4πD² П_2Г /П_1В;

σ₂₁ =4πD² П_2В /П_1Г; σ₂₂ =4πD² П_2В /П_1В.

Интенсивности прямой и отраженной волн, входящие в формулы для ЭПР, могут быть рассчитаны или найдены экспериментально. Расчет возможен лишь для некоторых простейших объектов. Для большинства реальных объектов ЭПР определяется экспериментально. Значения ЭПР реальных объектов имеют очень широкий диапазон — от 10^-29 м² для электрона до 10¹³ м² для планеты Венера.