Эффективная площадь рассеяния
Эффекти́вная пло́щадь рассе́яния (ЭПР; в некоторых источниках — эффективная пове́рхность рассеяния, эффективный попере́чник рассеяния, эффективная отража́ющая площадь, ЭОП) в радиолокации — площадь некоторой фиктивной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей плоской волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку расположения цели, создаёт в месте расположения антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель[1].
ЭПР является количественной мерой свойства объекта рассеивать электромагнитную волну[2]. Наряду с энергетическим потенциалом приемопередающего тракта и КУ антенн РЛС, ЭПР объекта входит в уравнение дальности радиолокации и определяет дальность, на которой объект может быть обнаружен радиолокатором. Повышенное значение ЭПР означает бо́льшую радиолокационную заметность объекта, снижение ЭПР затрудняет обнаружение (см. стелс-технология).
ЭПР конкретного объекта зависит от его формы, размеров, материала, из которого он изготовлен, от его ориентации (ракурса) по отношению к антеннам передающей и приемной позиций РЛС (в том числе, и от поляризации электромагнитных волн), от длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР определяется в условиях дальней зоны рассеивателя, приемной и передающей антенн радиолокатора.
Поскольку ЭПР — формально введенный параметр, то её значение не совпадает ни со значением полной площади поверхности рассеивателя, ни со значением площади его поперечного сечения (англ. Cross-Section). Расчет ЭПР — одна из задач прикладной электродинамики, которая решается с той или иной степенью приближения аналитически (только для ограниченного ассортимента тел простой формы, например, проводящей сферы, цилиндра, тонкой прямоугольной пластины и т. п.) или численными методами. Измерение (контроль) ЭПР проводится на полигонах и в радиочастотных безэховых камерах с использованием реальных объектов и их масштабных моделей.
ЭПР имеет размерность площади и обычно указывается в м² или дБкв.м. Для объектов простой формы — тестовых — ЭПР принято нормировать к квадрату длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР протяженных цилиндрических объектов нормируют к их длине (погонная ЭПР, ЭПР на единицу длины). ЭПР распределенных в объёме объектов (например, дождевого облака) нормируют к объёму элемента разрешения РЛС (ЭПР/м³). ЭПР поверхностных целей (как правило, участка земной поверхности) нормируют к площади элемента разрешения РЛС (ЭПР/м²). Иными словами, ЭПР распределенных объектов зависит от линейных размеров конкретного элемента разрешения конкретной РЛС, которые зависят от расстояния РЛС — объект.
ЭПР можно определить следующим образом (определение эквивалентно приведенному в начале статьи):
Эффективная площадь рассеяния (для гармонического зондирующего радиосигнала) — отношение мощности радиоизлучения эквивалентного изотропного источника (создающего в точке наблюдения такую же плотность потока мощности радиоизлучения, что и облучаемый рассеиватель) к плотности потока мощности (Вт/м²) зондирующего радиоизлучения в точке расположения рассеивателя[3].
ЭПР зависит от направления от рассеивателя на источник зондирующего радиосигнала и направления в точку наблюдения. Поскольку эти направления могут не совпадать (в общем случае источник зондирующего сигнала и точка регистрации рассеянного поля разнесены в пространстве), то определенная таким образом ЭПР называется бистатической ЭПР (двухпозиционной ЭПР, англ. bistatic RCS).
Диаграмма обратного рассеяния (ДОР, моностатическая ЭПР, однопозиционная ЭПР, англ. monostatic RCS, back-scattering RCS) — значение ЭПР при совпадении направлений от рассеивателя на источник зондирующего сигнала и на точку наблюдения. Под ЭПР часто подразумевают её частный случай — моностатическую ЭПР, то есть ДОР (смешивают понятия ЭПР и ДОР) из-за малой распространенности бистатических (многопозиционных) РЛС (по сравнению с традиционными моностатическими РЛС, оснащенными единой приемо-передающей антенной). Тем не менее, следует различать ЭПР(θ, φ; θ0, φ0) и ДОР(θ, φ) = ЭПР(θ, φ; θ0=θ, φ0=φ), где θ, φ — направление на точку регистрации рассеянного поля; θ0, φ0 — направление на источник зондирующей волны (θ, φ, θ0, φ0 — углы сферической системы координат, начало которой совмещено с рассеивателем).
В общем случае для зондирующей электромагнитной волны с негармонической временной зависимостью (широкополосный в пространственно-временно́м смысле зондирующий сигнал) эффективная площадь рассеяния — отношение энергии эквивалентного изотропного источника к плотности потока энергии (Дж/м²) зондирующего радиоизлучения в точке расположения рассеивателя.
Расчёт ЭПР
Рассмотрим отражение волны, падающей на изотропно отражающую поверхность, площадью, равной ЭПР. Отражённая от такой цели мощность — это произведение ЭПР на плотность падающего потока мощности:
|
(1) |
где — ЭПР цели, — плотность потока мощности падающей волны данной поляризации в точке расположения цели, — мощность, отражённая целью.
С другой стороны, излучённая изотропно мощность
|
(2) |
где — расстояние от РЛС до цели, — плотность потока мощности отражённой от цели волны данной поляризации в точке расположения РЛС.
Подставляя выражение (2) в (1), получаем выражение для ЭПР цели:
|
(3) |
Или, используя напряженности поля падающей волны в точке нахождения цели и отраженной волны в месте расположения РЛС:
|
(4) |
Мощность на входе приёмника:
|
(5) |
где — эффективная площадь антенны.
Можно определить поток мощности падающей волны через излучённую мощность и коэффициент направленного действия антенны для данного направления излучения.
|
(6) |
Подставляя (6) и (2) в (5), для мощности на входе приёмника РЛС имеем:
|
(7) |
Или
|
(8) |
где .
Таким образом,
|
(9) |
Физический смысл ЭПР
ЭПР имеет размерность площади (м²), но является не геометрической площадью, а энергетической характеристикой, то есть определяет величину мощности принимаемого сигнала.
Аналитически ЭПР можно рассчитать только для простых целей. Для сложных целей ЭПР измеряется практически на специализированных полигонах, или в безэховых камерах.
ЭПР цели не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Любое увеличение ведёт к пропорциональному увеличению и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение меняется обратно пропорционально и величина ЭПР при этом остается неизменной.
ЭПР распространённых точечных целей
Выпуклой поверхности
Поле от всей поверхности S определяется интегралом . Необходимо определить E2 и отношение при заданном расстоянии до цели.
Везде ниже означает длину волны в сантиметрах.
|
(10) |
где k — волновое число.
1) Если объект небольших размеров, то — расстояние и поле падающей волны можно считать неизменными. 2) Расстояние R можно рассматривать как сумму расстояния до цели и расстояния в пределах цели:
- — расстояние от РЛС до объекта
- — местное расстояние
Тогда:
|
(11) |
|
(12) |
|
(13) |
|
(14) |
Плоской пластины
Плоская поверхность — частный случай криволинейной выпуклой поверхности.
|
(15) |
Если плоскость с площадью 1 м², а длина волны 10 см (3 ГГц), то
Шара
Для шара 1-й зоной Френеля будет зона, ограниченная экватором.
|
(16) |
Уголкового отражателя
Уголковый отражатель представляет собой три перпендикулярно расположенных плоскости. В отличие от пластины, уголковый отражатель даёт хорошее отражение в широком диапазоне углов.
Треугольный
Если используется уголковый отражатель с треугольными гранями, то ЭПР
(17) |
где — длина ребра.
Четырёхугольный
Если уголковый отражатель составлен из граней четырёхугольной формы, то ЭПР
(18) |
Применение уголковых отражателей
Уголковые отражатели применяются:
- в качестве ложных целей;
- как радио-контрастные ориентиры;
- при проведении экспериментов сильного направленного излучения.
Дипольного отражателя
Дипольные отражатели используются для создания пассивных помех работе РЛС.
Величина ЭПР дипольного отражателя зависит в общем случае от ракурса наблюдения, однако ЭПР по всем ракурсам:
Дипольные отражатели используются для маскировки воздушных целей и рельефа местности, а также как пассивные радиолокационные маяки.
Сектор отражения дипольного отражателя составляет ~70°
ЭПР сложных целей (реальных объектов)
ЭПР сложных реальных объектов измеряются на специальных установках, или полигонах, где достижимы условия дальней зоны облучения.
# | Тип цели | [м²] |
---|---|---|
1 | Авиация | |
1.1 | Самолёт-истребитель | 3—12[4] |
1.2 | Малозаметный истребитель | 0,3—0,4[4] |
1.3 | Фронтовой бомбардировщик | 7—10 |
1.4 | Тяжёлый бомбардировщик | 13—20 |
1.4.1 | Бомбардировщик В-52 | 100[5] |
1.4 | Транспортный самолёт | 40—70 |
2 | Суда | |
2.1 | Подводная лодка в надводном положении | несколько кв. метров.[6] |
2.2 | Рубка подводной лодки в надводном положении | несколько кв. метров. [6] |
2.3 | Катер | 50 |
2.4 | Ракетный катер | 500 |
2.5 | Эсминец | 10000 |
2.6 | Авианосец | 50000[7] |
3 | Наземные цели | |
3.1 | Автомобиль | 3—10 (волна около 1 см)[8] |
3.2 | Танк Т-90 (длина волны 3—8 мм) | 29[9][10] |
4 | Боеприпасы | |
4.1 | Крылатая ракета ALCM (длина волны 8 мм) | <0.1 |
4.2 | Головная часть оперативно-тактической ракеты | 0,15—1,6[11] |
4.3 | Ядерная боеголовка БРПЛ(TN-75/TN-71) | 0,01/0,1—0,25[12] |
5 | Прочие цели | |
5.1 | Человек | 0,8—1 |
6 | Птицы[13] (со сложенными крыльями, длина волны 5 см) | (максимальная граница ЭПР) |
6.1 | Грач (Corvus frugilegus) | 0,0048 |
6.2 | Лебедь-шипун (Cygnus olor) | 0,0228 |
6.3 | Большой баклан (Phalacrocorax carbo) | 0,0092 |
6.4 | Красный коршун (Milvus Korshun) | 0,0248 |
6.5 | Кряква (Anas platyrhynchos) | 0,0214 |
6.6 | Серый гусь (Anser anser) | 0,0225 |
6.7 | Серая ворона (Corvus cornix) | 0,0047 |
6.8 | Полевой воробей (Passer montanus) | 0,0008 |
6.9 | Обыкновенный скворец (Sturnus vulgaris) | 0,0023 |
6.10 | Озёрная чайка (Larus ridibundus) | 0,0052 |
6.11 | Белый аист (Ciconia ciconia) | 0,0287 |
6.12 | Чибис (Vanellus vanellus) | 0,0054 |
6.13 | Гриф-индейка (Cathartes aura) | 0,025 |
6.14 | Сизый голубь (Columba livia) | 0,01 |
6.15 | Домовый воробей (Passer domesticus) | 0,0008 |
ЭПР сосредоточенной цели
Двуточечной целью будем называть пару целей, находящуюся в одном объёме разрешения РЛС. Используя формулу (4), можем найти амплитуды полей отражённой волны:
|
(19) |
|
(20) |
Временные задержки можно рассчитать:
Отсюда:
|
(21) |
|
(22) |
тогда:
|
(23) |
|
(24) |
|
(25) |
|
Следовательно,
|
(26) |
Диаграмма обратного рассеяния
Зависимость ЭПР от угла отражения — называется диаграммой обратного рассеяния (ДОР). ДОР будет иметь изрезанный характер и явно многолепестковый. При этом нули ДОР будут соответствовать противофазному сложению сигналов от цели в точке расположения РЛС, а ток — синфазному значению. При этом ЭПР может быть как больше, так и меньше ЭПР каждой из отдельных целей. Если волны приходят в противофазе, то будет наблюдаться минимум, а если в фазе, то максимум:
Пусть , тогда:
Реальные объекты имеют несколько колеблющихся точек.
- , а значит .
Тогда суммарное поле:
- — определяется как изменение фазовых структур отражённой волны.
Фазовый фронт отражённой волны отличается от сферического.
Определение ЭПР распределённых целей
Распределённая цель — цель, размеры которой выходят за пределы разрешающего объёма РЛС.
Условие распределённости цели
Нарушение любого из условий вводит цель в класс распределённых
Здесь:
- — Размер разрешающего объёма РЛС по дальности;
- — Размер разрешающего объёма РЛС по ширине (углу азимута);
- — Размер разрешающего объёма РЛС по высоте (углу места);
То есть линейные размеры цели должны полностью находиться внутри элемента разрешения РЛС.
Если это не так, то в этом случае ЭПР цели будет суммой ЭПР каждого элементарного участка цели:
- .
Если распределённый объект состоит из изотропных однотипных отражателей с одинаковыми свойствами, то общее ЭПР можно найти как произведение ЭПР на число отражателей:
Число элементов такой цели обычно неизвестно.
Удельная ЭПР
В этом случае целесообразно ввести удельную ЭПР (σуд) — это ЭПР единичной площади (dS), или единичного объёма (dV) распределённой цели.
|
(27) |
|
(28) |
Здесь:
- — удельная ЭПР единичной поверхности ;
- — удельная ЭПР единичного объёма ;
- S — одновременно отражающая поверхность
- V — одновременно отражающий объём.
S и V целиком определяются размерами ширины диаграммы направленности и элементом разрешения по дальности, то есть параметрами излучённого сигнала.
Инфраструктура
Замер эффективной площади рассеяния габаритного макета летательного аппарата осуществляется следующим образом:
-
станция измерительного комплекса
-
высотный самолёт-разведчик A-12
-
ОТР «Сержант»
-
КРМБ «Томагавк»
-
Командный/служебный отсек КА «Аполлон»
См. также
- Технологии снижения заметности (Стелс)
Литература
- Смирнов А. Радиолокационная заметность объектов (рус.) // Армейский сборник : журнал. — 2013. — Ноябрь (т. 234, № 11). — С. 21—23.
Примечания
- ↑ Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. Учеб. для вузов. 2-е изд. / М.: Радио и связь, 1983. С. 126.
- ↑ Skolnik M.I. Radar Handbook. 2nd ed. McGraw-Hill Professional, 1990.
- ↑ Радиоэлектронные системы. Основы теории и построение. Справочник / Под ред. Я. Д. Ширмана / М.: ЗАО "Маквис", 1998. С. 127.
- ↑ 1 2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТЕЛС-ТЕХНОЛОГИЙ . Дата обращения: 18 мая 2014. Архивировано 23 октября 2014 года.
- ↑ MASTER OF DEFENCE STUDIES RESEARCH PROJECT PASSIVE MULTISTATIC RADARS IN ANTI-STEALTH AIR DEFENCE
- ↑ 1 2 ЭПР не может быть равен нулю, но в данном случае он ничтожно мал.
- ↑ Система управления вооружением СУВ-ВЭП «Меч» для истребителей серии Су-27, Су-30 . Дата обращения: 18 ноября 2011. Архивировано 21 мая 2015 года.
- ↑ «Визир» следует запретить! — 19 Марта 2009 — ПРИКОЛЫ НА ДОРОГАХ . Дата обращения: 24 декабря 2010. Архивировано 13 сентября 2009 года.
- ↑ Маскировка — Комплекс поглощающих материалов и покрытий (недоступная ссылка)
- ↑ Сотников А. М., Сидоренко Р. Г., Рыбалка Г. В. Оценка отражающих свойств наземных и воздушных объектов с пассивной защитой на основе композитных радиоизотопных покрытий (pdf). Харьковский университет Воздушных Сил им. И. Кожедуба, Харьков (15 января 2009). — Получены численные оценки отражающих свойств наземных и воздушных объектов с композитными радиоизотопными покрытиями. Проведенные численные исследования показывают принципиальную возможность и целесообразность применения композитных радиозотопных покрытий для защиты вооружения и военной техники от радиолокационных систем самонаведения сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Расчеты выполнены для однослойной и двухслойной структуры построения композитных радиозотопных покрытий. Дата обращения: 18 мая 2009. Архивировано 27 февраля 2012 года.
- ↑ Казаков Е. Л, Казаков А. Е. Анализ целесообразности использования ложных целей для прорыва противоракетной обороны противника (pdf). Харьковский университет Воздушных Сил им. И. Кожедуба, Харьков (22 декабря 2008). Дата обращения: 18 мая 2009. Архивировано из оригинала 30 июля 2017 года.
- ↑ Ядерный арсенал Франции . Дата обращения: 26 сентября 2012. Архивировано 30 ноября 2011 года.
- ↑ Мацюра А. В. Использование различных типов радаров в орнитологических исследованиях (pdf). Мелитопольский государственный педагогический университет (25.04.05). Дата обращения: 23 августа 2009. Архивировано 27 февраля 2012 года.
Ссылки
- Что такое ЭПР — заметка в блоге dxdt.ru [неавторитетный источник]