Поля вторичного излучения, позволяющие определить ЭПР объектов, находят точными и приближенными расчетными методами, в том числе методом математического моделирования, наряду с которым широко используют физическое моделирование и натурный эксперимент. Полагают, что вторичные излучатели расположены в свободном пространстве с диэлектрической и магнитной проницаемостями соответственно = 1 и = 1. На практике ЭПР может быть рассчитана различными методами. Точные решения обеспечиваются на основе использования уравнений Максвелла и решения соответствующих волновых уравнений при заданных граничных условиях. Решения таких частных модельных задач найдены для тел сравнительно простой формы: шара, полуплоскости, клина, плоских пластин, цилиндров, усеченных конусов, сфероидов, прямых и искривленных ребер. Для решения модельных задач также используют приближенные методы, к основным из которых относятся следующие методы:
– геометрической оптики;
– физической оптики;
– геометрической теории дифракции;
– физической теории дифракции;
– смешанные методы.
Метод геометрической оптики основывается на предположении, что энергия рассеянного поля распространяется вдоль узких трубок лучей по законам оптики, когда длина падающей волны стремится к нулю.
При использовании метода физической оптики пренебрегают вкладом в рассеянное поле затененных участков объекта при условии, что длина волны много меньше его размеров.
Метод геометрической теории дифракции развивает метод геометрической оптики и основывается на предположении, что основной вклад во вторичное поле вносят токи вблизи геометрических разрывов объекта.
При использовании метода физической теории дифракции считается, что основной вклад в рассеянное поле вносят освещенные участки объекта и его острые кромки.
Задачи расчета полей вторичного излучения разбиваются на три группы, связанные с относительными размерами целей:
– цели, размеры которых малы по сравнению с длиной волны размеров ;
– цели, размеры которых соизмеримы с длиной волны ;
– цели, размеры которых больше длины волны .
| Рис 2.1 Зависимость нормированной ЭПР шара от величины отношения радиуса шара к длине волны |
Первая область называется областью рассеяния (низкочастотной, дифракционной). В рэлеевской области функция и аргумент связаны зависимостью четвертой степени:
.
Такая зависимость характерна для любого объекта, наибольший размер которого значительно меньше длины волны.
Вторая область – резонансная . Колебательный характер зависимости значений ЭПР от отношения , обусловлен интерференцией зеркально отраженной от поверхности шара волны и волн рассеиваемой «невидимой» (обратной) частью шара. Максимум ЭПР наблюдается в случае, когда шар как бы эквивалентен полуволновому вибратору и вдоль его полуокружности укладывается полуволна тока .
Третья область называется оптической (высокочастотной, зеркальной) областью. Ее характерная особенность состоит в том, что значение ЭПР постепенно приближается к площади поперечного сечения (видимой площади) цели.
Рассмотрим особенности отражения для других объектов радиолокации. Для объектов первой группы независимо от конфигурации и электрических свойств материала остается в силе зависимость:
, (2.1)
где – квадрат линейного размера объекта (видимая геометрическая площадь объекта).
Примерами объектов первой группы являются гидрометеоры, аэрозоли для РЛС дециметрового диапазона, птицы – для РЛС метрового диапазона и т. д.
Из формулы (2.1) следует, что мешающее влияние метеообразований наиболее существенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона, а также в миллиметровом диапазоне. С другой стороны, РЛС этих диапазонов можно использовать для разведки физических условий на трассе распространения радиоволн. Низкая эффективность вторичного излучения при ограничивает длины волн (частоты) колебаний, используемых в радиолокации.
Для объектов второй группы рассеяние является резонансным. Так, полуволновый вибратор (используемый для создания пассивных помех РЛС) в направлении, перпендикулярном его оси, имеет ЭПР , существенно большую его «видимой» площади. При изменении или условия резонанса нарушаются, и частотная зависимость характеризуется резонансной кривой, которая тем острее, чем тоньше вибратор.
В пространстве диполя ориентируются произвольно относительно вектора облучающей волны. В предположении равной вероятности ориентации усредненное значение ЭПР диполя определяется формулой
(2.2)
Зависимость ЭПР диполя от отношения , носит осциллирующий характер, свойственный и другим проводящим телам (шар, эллипсоид) при . К рассматриваемой группе объектов радиолокации можно отнести, например, боевые блоки баллистических ракет, крылатые ракеты, беспилотные летательные аппараты при условии, что они облучаются радиолокаторами метрового диапазона.
Для объектов третьей группы , в которую входит большинство объектов радиолокации, особенностью является интерференционный характер поля вторичного излучения, зависящий от геометрической формы и размеров объекта, длины волны, направления распространения зондирующей и отраженной электромагнитных волн.
Не вдаваясь в рассмотрение методик расчета ЭПР, приведем конечные соотношения для некоторых характерных тел (табл. 2.1).
Таблица 2.1
ЭПР некоторых характерных тел
| Форма отражающего тела | Формула для определения ЭПР | Обозначение | Направление |
| Шар металлический | r – радиус; – относительная комплексная диэлектрическая проницаемость; | Любое | |
| Шар диэлектрический | |||
| Удлиненный сфероид | а – большая полуось; b – малая полуось. | Вдоль большой полуоси | |
| Круглый цилиндр | r – радиус; l – длинны; – угол к оси. | Под углом | |
| Конус бесконечной длины | – половинный угол конуса. | ||
| Круглая пластина | – функция Бесселя первого рода первого порядка; r – радиус. |