РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 6, с. 693-696
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396.831+621.396.96'06+539.219.1+538.566
ПРИБЛИЖЕННОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ РАДИОВОЛН ОТ ТЕЛ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ МЕТОДОМ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ
© 2004 г. Ю. И. Лещанский, К. А. Черноусов
Поступила в редакцию 01.12.2003 г.
Исследовано влияние формы объекта на обратное рассеяние радиоволн в сторону облучающего радиолокатора. Величина обратного рассеяния определена по методу "нормальных сечений". В качестве объекта исследования выбран планер "самолета-невидимки" В-2.
Приближенное вычисление обратного рассеяния от объектов сложной формы является актуальным в связи с задачей уменьшения этого рассеяния для затруднения обнаружения летающих объектов радиолокационными станциями. Наряду с применением специальных радиопоглощающих материалов, снижением температуры истекающей реактивной струи, наиболее важное значение имеет выбор правильной формы, ослабляющей обратно отраженный от объекта в сторону локатора радиосигнал, как вдоль линии перемещения объекта, так и на траверсе, поперек линии перемещения объекта.
У самолетов горизонтальные размеры всегда во много раз больше, чем вертикальные. Поэтому для обнаружения самолетов главную роль играет электромагнитное поле, имеющее горизонтальную поляризацию.
Для выполнения расчетов обратного рассеяния рассмотрим метод "нормальных сечений" [1-3], соответствующий принципу стационарной фазы [4, с. 100], примененный к гладким телам выпуклой или плоской формы, в сочетании с методом вспомогательных источников [5; 6, с. 7; 7; 8, с. 38]. При этом вспомогательное поле взаимодействует с отраженным основным полем на поверхности "освещенной" части лоцируемого тела. В случае бистатической локации источник основного поля располагается в одной стационарной точке, а источник вспомогательного - в другой.
В работах [9-11] рассмотрены диаграммы рассеяния по совокупности направлений в пределах значительных интервалов телесного угла при каждой заданной ориентации лоцируемого тела относительно радиолокатора. В данной работе, используя вспомогательное электромагнитное поле, находим величину реального основного рассеянного поля при каждом положении облучаемого тела только в направлении назад, точно на приемную антенну локатора.
В работе [1] метод нормальных сечений изложен применительно к падению плоской волны
(например от радиолокатора) на тело цилиндрической формы перпендикулярно его оси. Показано, что обратное отражение или рассеяние от металлического цилиндра соответствует отражению от "зеркала" в виде узкой плоской полоски, имеющей длину цилиндра и ширину, определяемую сечением данного тела цилиндрической формы фронтом этой волны на глубине к/16. Будем называть такую полоску "главной частью" первой зоны Френеля для цилиндра. Действующая площадь этой полоски равна
^ _ ,
где а - радиус цилиндра, а Ь - длина цилиндра.
Обратное рассеяние от двух пересекающихся под прямым углом цилиндров равного диаметра эквивалентно рассеянию от пересечения двух таких узких плоских полосок, образующих в месте пересечения общую плоскую поверхность площадью 5дц квадратной формы. Линейные поперечные размеры этой поверхности соответствуют сечению каждого из цилиндров плоскостью, параллельной его оси, на глубине АНц = к/16. Действующая площадь этой плоской поверхности при пересечении двух цилиндров равна
„ _ 1аХ 1аХ _ ак 9дц _ 412412 _
где
= Ьц - линейный размер всех четырех бо-
ковых сторон площадки.
Рассмотрим аналогичную плоскую площадку для металлического шара радиусом а. Она имеет форму круга. Назовем эту площадку главной частью первой зоны Френеля для шара. Пусть она имеет такую же площадь, как и площадь при пересечении полосок двух цилиндров:
9 _ 9 _ —
Ф
д н ш = -г-дш ш 2 а п
52 м Рис. 1.
причем 5дш = пЯ2, где Я - радиус плоского круга на поверхности шара, который получается после отсечения от шара шарового сегмента высотой д н *2
Д Н ш =
Величина ДНш - толщина шарового сегмента, который следует удалить, чтобы получить на шаре плоскую поверхность, играющую роль эквивалентного зеркала, заменяющего рассеяние назад от всей освещенной поверхности шара.
Из приведенных соотношений вытекает, что для шара справедливо равенство
5 дш %
4 п'
Отличие ДНц от ДНш связано с тем, что для цилиндра взаимодействие зон Френеля со вспомогательным полем уменьшается по мере удаления этих зон от главной части первой зоны Френеля. В то же время для шара все зоны одинаково взаимодействуют со вспомогательным полем, независимо от их удаления от главной части первой зоны Френеля.
Рассмотрим теперь горизонтально расположенный плоский металлический лист. Пусть электромагнитная волна при нулевом угле возвышения [12] падает на край этого листа перпендикулярно кромке и распространяется дальше вдоль поверхности листа. Если поляризация волны вертикальная, то она пройдет вдоль всего листа и лист не окажет никакого действия на эту волну. Если же поляризация горизонтальная, то лист отразит обратно часть этой волны. При этом силовые линии поля Е останутся прямыми, параллельными краю листа. Сам лист без изменения структуры рассеянного поля можно заменить системой проводов, параллельных кромке листа и полю Е падающей волны. При этом электрический ток будем максимальным на освещенной кромке листа, т.е. на самом крайнем проводе, а дальше в со-
м2 10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
140 160 180 Ф, град
Рис. 2.
седних проводах ток будет постепенно уменьшаться. Замкнутые кольцевые магнитные силовые линии в промежутках между соседними проводами будут ослаблять друг друга, так что вертикальные составляющие поля Н между проводами ослабнут, зато горизонтальные составляющие поля Н соседних проводов сольются в два потока. Над листом силовые линии Н в соответствии с направлением электрических токов будут идти в одну сторону поперек кромки листа, а под листом - в противоположную сторону. На краю кромки каждая нижняя магнитная силовая линия будет огибать электрический ток, текущий по этой кромке, и переходить в соответствующую ей верхнюю силовую линию поля Н без каких-либо искажений [3, с. 183, рис. 8].
Подобно тому, как мы поступали в случае цилиндра и шара, край листа можно разбить на узкие параллельные полоски - зоны Френеля для отраженного назад поля - при помощи вертикальных секущих плоскостей, перпендикулярных листу и направлению распространения волны и удаленных друг от друга на расстояние
А! %
Д н кр = -¡—,
кр 4 п
как у шара.
Такое сходство значений можно понять и объяснить. На краю листа всегда максимум тока в том случае, когда вектор Е падающей волны параллелен краю листа, а в пределах двух-трех зон шириной ДНкр этот ток приближенно можно считать постоянным по амплитуде и фазе, так как ДНкр < %. Поэтому возникает ситуация, похожая на ранее рассмотренный случай, когда волна падает на металлический шар и вблизи главной части первой зоны Френеля соседние зоны Френеля имеют ту же площадь. Это обстоятельство дает нам величину шага, равную %/4п, между секущи-
ПРИБЛИЖЕННОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ РАДИОВОЛН
695
м2 10°
10-
10 г
10-3г
10-
160 180 ф, град
м2 101
10-1 г
100 120 140 160 180 ф, град
Рис. 3.
Рис. 4.
ми плоскостями, определяющими в данном случае одновременно и ширину самих зон Френеля.
В связи с тем, что наибольший ток течет на самой кромке листа в самой первой зоне по направлению движения волны как на верхней поверхности листа, так и на нижней, объединим обе зоны в одну зону удвоенной ширины к/2п. Переориентируем эту зону перпендикулярно краю листа, т.е. параллельно секущим плоскостям, без всяких отрицательных последствий для расчета эквивалентной действующей поверхности кромки листа, так как все линейные перемещения при повороте обеих частей зоны и формировании зоны удвоенной ширины много меньше длины волны. Поэтому при любой длине кромки Ь действующая поверхность объединенной зоны составит
5 _ Ъ—
5д-р _ Ъ2П
Рассмотрим угол кромки металлического листа. Отсечем угол кромки листа секущей плоскостью, перпендикулярной к радиус-вектору, являющемуся биссектрисой угла 2в между направлениями из места расположения листа на излучающую антенну радиолокатора и на приемную антенну радиолокатора. Далее ограничимся моностатической радиолокацией. Отметим только одно обстоятельство: при бистатической радиолокации
во всех расчетах вместо АНш = АНкр = следует
брать величины АНш = АНкр =
к
к
(см. ниже) следует использовать
4П 008 в к
8008 в
и вместо -
[3, с. 183].
Отсеченный угол, содержащий две соседние кромки листа и линию сечения, образует плоский
треугольник. Основанием треугольника считаем линию сечения, а высоту измеряем от противолежащей вершины треугольника до этого основания. При любом ракурсе рассматриваемого листа в горизонтальной плоскости выбираем высоту треугольника, равную Нтр = к/2п. Тогда общая площадь треугольника всегда будет равна
5дТр _ 1 МТрЪ _ 4ПЪ,
где Ь - в этом случае длина сечения (основания) треугольника.
Чтобы обеспечить правильность вычислений величины обратного рассеяния при помощи найденных выше выражений для действующих плоских поверхностей 5дц, 5дш, 5дкр и 5дтр, отражения от самых далеких зон Френеля следует полностью устранить. У цилиндра и шара это происходит автоматически в связи с ростом угла наклона удаленных зон и с уменьшением до нуля их проекции на падающую волну вспомогательного поля [5-8].
Для металлической пластины, ориентированной в плоскости поляризации падающей волны, при нулевом угле возвышения имеет место отражение только от передней кромки пластины, а дальше токи быстро уменьшаются и остальная поверхность пластины не влияет на диаграмму обратного рассеяния.
Достигнув относительно правильного учета амплитуд обратно рассеянного поля, обратимся к уточнению фазовых соотношений. Нетрудно показать при помощи векторной диаграммы [3, с. 179], что учет всех видимых зон Френеля на поверхности шара добавит 90° к запаздыванию по фазе по сравнению с фазой отражения от ближайшей к радиолокатору точки на поверхности шара. Но 90° (п/2) соответствует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.