Радиолокационные цели обладают, как правило, достаточно сложной конфигурацией. Поверхность их характеризуется наличием блестящих точек в виде выпуклых участков поверхностей двойной кривизны и резонансных элементов, а также шероховатых диффузно рассеивающих участков. Поля, отраженные перечисленными элементами с различными амплитудами и фазами, интерферируют. Характеристики вторичного излучения и обратного вторичного излучения оказываются многолепестковыми. Количество и ширина лепестков зависят, прежде всего, от отношения . Так, средняя ширина лепестка характеристики обратного вторичного излучения определяется формулой:
.
где – эквивалентный размер цели, не превышающий геометрического размера ее проекции на плоскость, нормальную направлению облучения.
Примерные значения средних ЭПР для различных целей, имеющих размеры , приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
ЭПР некоторых целей
| Радиолокационная цель | |
| Корабль водоизмещением 20000 т. | |
| Средний корабль водоизмещением 10000 – 3000 т. | 10000 – 3000 |
| Малый корабль водоизмещением 200 – 600 т | 250 –50 |
| Подводная лодка в надводном положении | 140 – 35 |
| Транспортный самолет, дальний бомбардировщик | 100 – 20 |
| Средний бомбардировщик | 30 – 5 |
| Бронетранспортер | 30 – 5 |
| Тягач тяжелый | 20 – 15 |
| Тяжелый истребитель | 10 – 5 |
| Танк | 9 – 6 |
| Автомобиль | 8 – 6 |
| Легкий истребитель | 5 – 2 |
| Человек ( ) | 1,2 – 0,5 |
| Рубка подводной лодки | |
| Крылатая ракета | 1 –10–2 |
| Стая птиц, попадающая в разрешающий объем РЛС | 1 –10–2 |
| Головка баллистической ракеты | 1 –10–3 |
| Голубь | 10–2 – 10–3 |
| Пчела рабочая ( ) | 10-3 – 10–8 |
| Рис. 2.2. Влияние движения цели (а) на амплитудную и фазовую модуляции отраженного гармонического сигнала (б) |
При отражении от сложной цели возникает также угловой шум, обусловленный тем, что положение фазового центра системы блестящих точек зависит от соотношения амплитуд и фаз отраженных колебаний. Фронт отраженной волны оказывается отличным от сферического, направление нормали к нему может отклоняться не только от направления на какую-либо блестящую точку, но и выходить за пределы углового размера цели. На рис. 2.3 представлена типичная картина углового шума для двухмоторного самолета. По оси ординат отложено линейное смещение кажущегося положения цели относительно истинного в плоскости, перпендикулярной направлению РЛС–цель. Для реальных самолетов среднеквадратическое отклонение кажущегося положения цели от истинного находится в интервале , где – габаритный размер цели. Угловой шум проявляется сильнее для целей с малым числом блестящих точек.
| Рис.2.3. Влияние различных элементов конструкции летательного аппарата на величину ЭПР в зависимости от ракурса |
В зависимости от ракурса цели вклад различных компонентов конструкции летательного аппарата неодинаков. На рис. 2.3 показана зависимость ЭПР основных элементов планера истребителя от его ракурса. Под ракурсом цели понимают угол между продольной осью цели и направлением на РЛС.
Уменьшение ЭПР цели является одной из основных задач развития и модернизации средств воздушного нападения. Решение этой задачи ведется по многим направлениям, к основным из которых можно отнести следующие:
1. Совершенствование формы летательных аппаратов. Техническая реализация этого направления проявляется в устранении острых кромок, разрывов поверхностей в уменьшении площади вертикальных килей за счет перехода к двухкилевой схеме, отклонение килей внутрь к оси фюзеляжа. Эффективными методами уменьшения ЭПР является применение аэродинамической схемы «летающее крыло» (в самолетах интеграция систем «планер – воздухозаборник – двигатель» и «планер – вооружение» путем размещения воздухозаборников и сопел на верхней поверхности самолета, применение конформных систем подвески вооружения). Кроме того, придание фюзеляжу и передним кромкам аэродинамических поверхностей формы, уменьшающей зеркальное отражение в сторону облучающей РЛС;
2. Применение радиопрозрачных и радиопоглощающих материалов и устройств. Технически это достигается использованием композиционных материалов для создания элементов конструкции летательных аппаратов. Так, термопластики могут составлять до 60 % массы самолета. Широко применяются радиопоглощающие покрытия (ферромагнитные материалы и полимеры), для уменьшения отражения от входного канала двигателя используются аттенюаторы. В самолетах применяются токопроводящие покрытия для устранения разрывов между материалами с различными электрическими свойствами.
3. Снижение заметности бортовых антенных систем. Для реализации этого направления используют следующие пути: ориентируют антенны таким образом, чтобы исключить зеркальное отражение в сторону РЛС, уменьшают число антенн, используют обтекатели с управляемыми характеристиками радиопрозрачности.
Перечень направления уменьшения ЭПР целей не являются исчерпывающим. Современное состояние техники и технологий предлагает их существенно больше. Здесь не ставится задача изучения методов уменьшения ЭПР цели, мы говорим об этом только для того, чтобы подчеркнуть, что приведенные в данной главе значения ЭЛР различных целей могут существенно отличаться от реальных.
4. Формирование отраженного радиолокационного сигнала для различных моделей целей.Облучение цели и формирование отраженного сигнала – очень важный этап в работе радиолокационного тракта. Именно на этом этапе у сигнала появляются информативные параметры , связанные с координатами и параметрами движения цели.
Рассмотрим формирование отраженного сигнала для постепенно усложняющейся модели цели (неподвижная точечная, движущаяся равномерно точечная, движущаяся многоточечная).
Сигнал , отраженный от неподвижной точечной цели, находящейся на некотором расстоянии от РЛС, отличается от зондирующего сигнала существенно меньшей амплитудой и наличием запаздывания:
, (2.3)
где В <<1 – некоторый коэффициент;
– время запаздывания.
В случае движения точечной цели с постоянной радиальной скоростью к описанным по формуле (2.3) преобразованиям добавляется изменение масштаба времени, обусловленное эффектом Доплера, так что
,
где
Изменение масштаба времени проявляется только на достаточно больших промежутках времени. На малых отрезках времени заметно лишь изменение несущей частоты. Несущая частота отраженного сигнала изменяется на величину доплеровской поправки частоты:
| Рис. 2.4. Определение эффективной площади рассеяния группового вторичного излучения: а – геометрия системы двух изотропных отражающих точек цели; б – определение значения результирующего вектора Епрв точке приема |
Таким образом, при облучении изотропно отражающей движущейся точечной цели принимаемый сигнал (без учета влияния среды) является нефлуктуирующим и содержит временные (точнее, времячастотные) информативные параметры .
Рассмотрим особенности поля вторичного излучения цели, образованной двумя изотропно отражающими точками с ЭПР , . Геометрия такой цели иллюстрируется на рис. 2.4, а, где – угол между нормалью к линии базы излучателей 1, 2 и направлением на РЛС с совмещенными передающей и приемной антеннами.
Пусть передатчик излучает гармоническое колебание частоты вида:
,
где – огибающая колебания ; – начальная фаза, значение которой не влияет на полученные ниже результаты.
Колебания на входе приемной антенны находят как результат интерференции полей и, , обусловленных изотропно отражающими точками 1 и 2. Результирующее поле в точке приема является векторной суммой:
Разность фаз полей Е1 и Е2 в точке приема зависит от угла и пропорциональна разности хода волн от РЛС к цели и обратно. Окончательно ЭПР цели с двумя «светящимися» точками будет:
. ,
Для случая с множеством светящихся точек площадь рассеяния может быть найдена из соотношения.
где п – число блестящих точек;
и – фазы поля, отраженного от соответствующих точечных излучателей.
Диаграмма вторичного излучения, полученная при разнесении в пространстве приемной и передающей антенн, также носит многолепестковый характер. Однако, количество лепестков в рассматриваемом случае меньше, чем для диаграммы обратного вторичного излучения. Учитывая, что при движении цели относительно РЛС число блестящих точек, амплитуды и фазы отраженных от них полей изменяются случайным образом, приходим к выводу, что ЭПР целей будут случайными функциями времени. Поэтому необходимо статистическое описание ЭПР и отраженного сигнала.
Пусть, как и раньше, цель облучается гармоническим колебанием. В этом случае отраженный от реальной цели сигнал будет случайным образом промодулирован по амплитуде и фазе:
, ,
где – законы изменения неслучайных компонент амплитуды и фазы отраженного от цели сигнала;
– средняя частота Доплера, обусловленная движением центра отражения с радиальной скоростью vr ср;
– функции изменения случайных компонент амплитуды и фазы отраженного сигнала, обусловленные амплитудными и фазовыми шумами цели.
Случайный процесс характеризуется нормированной корреляционной функцией:
.
В частотной области процесс описывается энергетическим спектром , взаимно связанным с корреляционной функцией преобразованиями Фурье:
.
Функции и могут быть получены в результате статистической обработки случайных процессов , получаемых в физическом эксперименте на реальных объектах или моделях, а также в результате математического моделирования. Возможные виды корреляционных функций и связанных с ними энергетических спектров представлены на рис. 2.5. Здесь показаны усредненные нормированные корреляционные функции сигналов, отраженных от цели, облучаемой гармонической волной.
| Рис. 2.5. Примеры автокорреляционных функций и соответствующих им энергетических спектров |
| Рис. 2.6. Возможный способ определения интервала корреляции флуктуаций а) и эффективной ширины энергетического спектра, б) |
.
Эффективную ширину энергетического спектра при этом определяют следующим образом (рис. 2.6, б):
, .
| Рис. 2.7. Определение времени наблюдения сигнала, при котором сохраняется фазовая структура сигнала, отраженного от флуктуирующей цели |
За это время флуктуации амплитуды и фазы будут пренебрежимо малы, т. е. амплитуда сигнала практически не изменится, а фазовая структура останется закономерной.
Конкретные значения как амплитуды сигнала на интервале наблюдения, так и его начальной фазы могут быть произвольными. Физически это означает, что за время наблюдения Тн временное расположение блестящих точек относительно РЛС практически не изменяется, а отраженный от цели сигнал на интервале времени Тн является когерентным (если, конечно, облучаемый цель сигнал является когерентным на интервале времени.
Термин «когерентность», как известно, заимствован из оптики, где его используют для описания корреляции световых волн. Когерентность – это свойство двух процессов (полей), характеризующее их способность взаимно усиливать или ослаблять друг друга при сложении. Слово «когерентность» происходит от латинского слова kohaerens – находящийся в связи. Это понятие в равной мере применимо к колебаниям, к волнам любой физической природы любого диапазона частот.
В радиотехнике понятие когерентности трактуют несколько иначе. Под когерентностью понимают детерминированную (закономерную, неслучайную, жесткую) связь между фазами двух или нескольких сигналов.
Рассмотрим теперь понятие когерентности применительно к радиолокации. Обработку сигналов в радиолокации, как правило, можно условно разделить на пространственную и временную. В силу этого раздельно рассматривают понятия временной когерентности и пространственной когерентности.
Понятие временной когерентности, в отличие от данного выше определения, относят к одному сигналу (непрерывному, импульсному, пачке импульсов). Этот сигнал может быть как детерминированным, так и случайным. Когерентным во времени называют сигнал, обладающий на интервал наблюдения закономерной фазовой структурой. Примерами радиолокационных сигналов с временной когерентностью являются детерминированный сигнал, т. е. сигнал с полностью известными параметрами, и квазидетерминированный сигнал, т. е. сигналы, у которого случайными являются начальная фаза и амплитуда. Когерентным можно считать также флуктуирующий случайный сигнал, наблюдаемый на ограниченном временном промежутке, не превышающем интервал корреляции флуктуации.
Знание интервала корреляции флуктуации необходимо в радиолокационной практике для выбора длительности импульсного сигнала или времени когерентного накопления Ткн непрерывного сигнала. При выполнении условия
(2.4)
или условия
(2.5)
наличие флуктуационной модуляции не разрушает когерентность сигнала, т. е. существенно не искажает структуру сигнала. Значит, на краях интервала (или ) значения функции оказываются коррелированными, то позволяет пренебречь ее временной зависимостью и считать комплексной случайной величиной. Таким образом, флуктуации ЭПР при выполнении условий (2.4, 2.5) не разрушают когерентность сигнала, но обусловливают случайную амплитуду В и случайную начальную фазу принимаемого сигнала. Отметим, что когерентное накопление на интервале 0 – Tкн можно проводить даже для непрерывного шумового зондирующего сигнала, если при излучении его структура запоминается для последующего учета в схеме обработки.