Видео:Расчет эффективной площади рассеяния (ЭПР) тел сложной формы в Altair Feko 2021Скачать
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.
ЭПР является количественной мерой свойства объекта рассеивать электромагнитную волну. 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.
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.
Видео:Характеристики радиолокационного рассеяния.Скачать
Теоретические основи радиолокации
Эффективная площадь рассеяния
Рисунок 1: Круговая диаграмма ЭПР самолета В-26 для частоты 3 ГГЦ (по Сколнику).
Рисунок 1: Круговая диаграмма ЭПР самолета В-26 для частоты 3 ГГЦ (по Сколнику).
Эффективная площадь рассеяния
Способность радиолокационной цели (РЛЦ) отражать падающую на нее электромагнитную энергию характеризуется эффективной площадью рассеяния ( σ ). Единицей измерения этого параметра является квадратный метр (м²). В литературе по радиолокации также можно встретить и другие названия: эффективная поверхность рассеяния, эффективная поверхность цели, эффективная площадь цели, эффективная поверхность вторичного излучения, радиолокационное поперечное сечение. Далее будем использовать термин эффективная площадь рассеяния (ЭПР).
Определение.
Под ЭПР понимают площадь эквивалентного изотропного рассеивателя, который, будучи помещен в точку нахождения цели, создает на раскрыве приемной антенны такую же плотность потока мощности, что и реальная цель. Таким образом, ЭПР является абстракцией, моделью, дающей, однако возможность оценить отражательную способность РЛЦ. Очевидно, что ЭПР может использоваться и для оценки радиолокационной заметности цели.
На величину ЭПР влияет множество факторов, к основным из которых относятся следующие:
- размеры и геометрическая форма цели;
- ракурс наблюдения цели, который определяет, какая именно часть поверхности цели облучается зондирующей электромагнитной волной (ЭМВ);
- рабочая частота радиолокатора, а точнее, соотношение между длиной волны локатора и характерными размерами цели;
- электрические свойства материала, из которого выполнена конструкция цели.
Влияние перечисленных факторов является комплексным и поэтому учитывать их нужно тоже совместно.
Рисунок 2. Самолет F-117, построенный с применением технологии снижения радиолокационной заметности “Stealth”
Самолет F-117 разработан с применением технологии снижения радиолокационной заметности “Stealth” . Особенности его конструкции и свойства применяемых покрытий обеспечивают низкие значения ЭПР для сантиметровых длин волн, которые используются радиолокаторами зенитных ракетных (артиллерийских) комплексов. Однако радиолокаторы метрового диапазона длин волн (П-12 « Енисей » и П-18 « Терек ») успешно обнаруживают такие самолеты. Данная ситуация имела место на практике во время боевых действий в бывшей Югославии (1999).
Расчет ЭПР
Аналитические выражения для расчета значений ЭПР могут быть получены лишь для ограниченного набора целей, имеющих простую форму поверхности. Большинство РЛЦ имеют сложную геометрическую форму поверхности и для определения их ЭПР применяются натурные измерения, а также методы физического или математического моделирования.
На Рисунке 1 изображена полученная экспериментально круговая диаграмма ЭПР самолета В-26 для частоты 3 ГГЦ (по Сколнику). Исходное математическое выражение для расчета ЭПР в случае совмещенного приема (однопозиционной локации) может быть представлено в виде:
| σ = | 4π r 2 Sr | r — радиус эквивалентного рассеивателя Sr — плотность потока мощности падающей волны в точке нахождения цели St — плотность потока мощности рассеянной волны у антенны радиолокатора. | (1) |
| St |
Ниже, в Таблице 1, приведены формулы для расчета ЭПР некоторых объектов простой формы. Формулы получены для случаев, когда длина волны λ радиолокатора намного меньше характерного размера цели, а поверхность объекта является идеально проводящей.
 формула для расчета ЭПР сферы радиуса R |
| |||||||||||||||||||||
 формула для расчета ЭПР цилиндра длины h с радиусом основания r |
| |||||||||||||||||||||
 формула для расчета ЭПР прямоугольной пластины со сторонами b и h , расположенной перпендикулярно направлению зондирования. |
| |||||||||||||||||||||
 | Таблица 1: Формулы для расчета ЭПР некоторых объектов простой формы
Рисунок 3: Круговая диаграмма ЭПР самолета типа бомбардировщик для длины волны от 3 до 5 м
Рисунок 3: Круговая диаграмма ЭПР самолета типа бомбардировщик для длины волны от 3 до 5 м На последнем рисунке Таблицы 1 изображена ситуация, когда плоская пластина располагается под углом к направлению зондирования. В данной ситуации рассеянная таким объектом ЭМВ практически не отражается в направлении радиолокатора и, следовательно, его ЭПР будет иметь малые значения. Именно такой метод снижения радиолокационной заметности применен в самолете F-117 (Рисунок 2), поверхность которого составлена из большого количества наклонных пластин. Эти пластины ориентированы таким образом, чтобы при падении на них ЭМВ из передней полусферы (оттуда, где, как правило, находятся средства противовоздушной обороны противника) отраженные волны направлялись бы в заднюю полусферу. Для обнаружения подобных целей более эффективным является использование бистатических радиолокационных систем, в которых передающие и приемные пункты разнесены в пространстве. ЭПР точечных целейГеометрические размеры РЛЦ большинства типов не превышают размеров импульсного объема радиолокатора, предназначенного для их обнаружения. Цели, имеющие такие размеры, называют точечными. ЭПР таких целей определяется взаимодействием ЭМВ, отраженных от так называемых «блестящих» точек. «Блестящими» точками называют элементы поверхности цели, которые при заданных условиях наблюдения (длина волны радиолокатора, ракурс зондирования) вносят наибольший вклад в рассеянное объектом поле, а значит и в ЭПР. В зависимости от взаимного расположения «блестящих» точек, а также направления наблюдения, отраженные ими волны могут иметь различные фазовые соотношения: от синфазного (тогда интенсивность результирующего отражения возрастает) до противофазного (интенсивность отражения уменьшается). Именно этот эффект определяет осциллирующий характер ЭПР в зависимости от ракурса наблюдения, при этом круговая диаграмма ЭПР имеет изрезанный характер (см. Рисунок 3).
Таблица 2: ЭПР точечных целей Следует отметить, что быстрота осцилляции ЭПР в зависимости от угла наблюдения определяется соотношением между длиной волны радиолокатора и характерными размерами цели: чем меньше длина волны по сравнению с размерами цели, тем сильнее осцилляция ЭПР (Рисунок 3). Учитывая значительные колебания величины ЭПР, в некоторых случаях оказывается удобным представлять ее значения в логарифмическом масштабе, например, в децибелах (дБ) относительно единичной площади (1 м²). В Таблице 2 приведены значения ЭПР (в квадратных метрах и в децибелах) некоторых типовых РЛЦ для «Х»-диапазона. Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко Видео:эффективная площадь рассеянияСкачать  Расчет эффективной поверхности рассеяния малых объектовЭффективная поверхность рассеяния (ЭПР) тела — это параметр, который показывает соотношение плотности мощности отраженной и падающей на цель мощности. Зная мощность излучения и это соотношение, можно определить мощность сигнала, вернувшегося в приемник РЛС. В литературе имеются многочисленные данные по ЭПР крупных объектов: машин, самолетов, кораблей, но в разделе для малых объектов (например, беспилотников) указывается, что ЭПР близка к нулю. Для нового поколения радаров ставится задача обнаружения таких объектов для предупреждения поражения ими вертолета или самолета. Поэтому точное определение ЭПР малых объектов позволит конструировать радары для средств предупреждения нападения и защиты от него, а также для информирования о приближении нежелательных дронов, несущих камеры или опасные предметы на охраняемую территорию. В статье рассматриваются малые объекты, поверхность рассеяния которых существенно меньше 1 кв. м. Статья не претендует на полноту описания всех малых летательных аппаратов и поражающих предметов стрелкового и реактивного оружия, но в каждом классе будет рассмотрен типичный образец для проведения расчетов и анализа его видимости в двух основных радиодиапазонах X и Ku (10 ГГц и 16 ГГц) при различных ракурсах наблюдения и поляризации. В статье рассмотрены следующие поражающие предметы: пули АКМ и бронебойная Б‑32, граната подствольного гранатомета РПГ, баллистический оперенный подкалиберный снаряд БОПС, а также беспилотные летательные аппараты: квадрокоптер Phantom3 и беспилотный самолет RQ‑11 Raven. ЭПР используется в основном уравнении радиолокации для определения потенциала радара, то есть дальности обнаружения объектов. В связи с неопределенностью рабочей частоты и типа поляризации радиосигнала целесообразно провести расчеты для двух перспективных диапазонов радиоволн X и Ku. Отражение от цели как результат решения электродинамической задачи зависит от геометрии цели, ракурса наблюдения из точки расположения антенны радара, длины волны и типа используемой поляризации. Если условие наблюдения за целью заранее неизвестно, целесообразно для полноты информации решать задачи отражения для двух ортогональных поляризаций. Эти данные позволят в последующем выбрать оптимальную поляризацию, исходя из свойств рассеяния пеленгуемого объекта и условий распространения радиоволн. Например, для цели на фоне неба можно работать как с линейной, так и с круговой поляризацией, а для цели над земной поверхностью и на фоне лесного массива лучшие результаты будут достигнуты для линейной вертикально поляризованной волны. Данные по ЭПР необходимы для выполнения расчетов обнаружения цели по основному уравнению радиолокации, в котором кроме таких параметров радиоаппаратуры, как мощность передатчика и усиление антенны, необходимо знать статистические величины: ЭПР и отношение сигнал/шум. Соотношение сигнал/шум определяет такие свойства радара, как вероятность ложных тревог и правильных обнаружений, а главное, определяет дальность обнаружения. При этом ЭПР является статистической функцией, меняющейся от угла наблюдения, и определяется формой цели и отражающими свойствами ее поверхности. Будем считать, что рассматриваемые в статье объекты, состоящие из металлических и диэлектрических деталей, не имеют покрытий, снижающих радиолокационную заметность. Аналитически ЭПР σ можно рассчитать только для самых простых геометрических фигур. Соотношения для расчета σ простых тел в случае λ 2 . Например, для металлической сферы радиусом 5 мм по формуле (1) получается значение –41 дБм 2 , а полноволновый расчет в Х‑диапазоне дает существенно другую величину –35,5 дБм2. Объекты, у которых размеры неизвестны, обмеряются экспериментально, для этого требуется специализированный измерительный стенд. В зависимости от размеров объекта это делается либо в безэховой камере, либо в свободном пространстве на открытых полигонах. Для сложных тел, у которых известны размеры и диэлектрические свойства составляющих деталей, успешно используются численные компьютерные методы.
Рис. 1. ЭПР (в дБм 2 ) пули АКМ в Х-диапазоне для горизонтальной поляризации (а) и ее эскиз (б) На рис. 1 приведены результаты расчета ЭПР пули АКМ в главном сечении трехмерной диаграммы рассеяния. Для полноты предоставления поляризационной информации цель облучается плоской Е‑волной с двумя ортогональными компонентами сферической системы координат Е‑Phi и Е‑Theta. По круговой диаграмме можно определить ЭПР в носовом и боковом направлении, то есть в направлении вдоль линии полета и в перпендикулярном. Можно найти максимальное и минимальное значения в диапазоне углов 0–360°, но для последующего использования в уравнении радиолокации интерес представляет усредненное значение, для чего в программе EXCEL создается массив из 360 отсчетов и находятся их среднеарифметическое и медианное значения. Обнаружение малых объектов является наиболее сложной проблемой при реализации радара. Для работы с малыми целями целесообразно использовать РЛС со сложным когерентным широкополосным сигналом со скважностью q = 5 и устройство обработки с когерентным накоплением результатов зондирования, что позволяет обеспечить обнаружение пули при малой средней мощности. При этом приемопередатчик может быть твердотельным. Рассмотрим РЛС, работающую в Ku-диапазоне волн (l = 2 см) с импульсной мощностью Римп = 20 Вт, и определим ее способность запеленговать пулю калибром 7,62 мм. Для этих исходных данных можно рассчитать минимальную мощность Pmin, обнаруживаемую приемником РЛС, для передатчика с мощностью Римп, предполагая, что РЛС должна обнаруживать объект диаметром d = 7,62 мм на расстоянии около R = 200 м при коэффициенте усиления антенны G = 23 дБ, соответствующем ширине диаграммы направленности 4×30°. Минимальная мощность обнаруживаемого сигнала в приемном тракте РЛС (пороговая чувствительность) определяется из выражения [1]:
Для определения требуемой мощности передатчика в рассматриваемом случае Римп необходимо учитывать ЭПР пули. Диаграмма обратного рассеяния объекта в зависимости от угла наблюдения обрабатывается и усредняется как статистическая функция. В табл. 1 приводятся среднее арифметическое σср значение ЭПР для двух линейных типов поляризации. Медианное значение σмпримерно в 1,5 раза меньше среднего арифметического σср. Эти значения требуются для расчета потенциала радара по флуктуационным моделям Сверлинга [2]. |
![Что же такое энтропия? [Veritasium]](https://i.ytimg.com/vi/g1Sdngywob4/0.jpg)
![Распространение радиоволн. Лекция №2 (07.09.2021) [5 семестр]](https://i.ytimg.com/vi/NQwYorbbMG4/0.jpg)
