Способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой антенны. Численный анализ эффективной площади рассеяния в двумерной осесимметричной постановке Эпр цели в различных диапазонах

Простейшей объемно распределенной целью являются дипольные отражатели, которые в большом количестве сбрасываются с самолета или выстреливаются специальными снарядами, рассеиваются в воздухе и образуют облако отражателей. Они применяются для постановки пассивных помех в широком диапазоне частот и одновременно против многих РТС.

Дипольные отражатели представляют собой пассивные полуволновые вибраторы с геометрической длиной, близкой к половине длины волны облучающей РЛС (l ≈ 0,47λ). Их изготавливают из металлизированной бумаги, алюминиевой фольги, металлизированного стекловолокна и других материалов.

ЭПР облака из n дипольных отражателей определяется произведением ЭПР отдельных отражателей, находящихся в облаке:

σ = n σ do ,

где: σ do – ЭПР одного дипольного отражателя.

При линейной поляризации падающей электромагнитной волны максимальное значение ЭПР единичного дипольного отражателя наблюдается при совпадении его геометрической оси с вектором Е напряженности электрического поля волны. Тогда:

σ do max = 0,86λ 2

Если дипольный отражатель ориентирован перпендикулярно к вектору Е облучающей электромагнитной волны, то σ do = 0 .

Вследствие турбулентности атмосферы и различия аэродинамических свойств дипольных отражателей они ориентируются в облаке произвольно. Поэтому при расчетах используют среднее значение ЭПР единичного дипольного отражателя.

σ do sr = 1/5 · σ do max = 0,17λ 2 ,

где: λ – длина волны облучающей РЛС.

Отсюда следует, что одновременное подавление РТС, работающих на различных частотах, возможно только при использовании дипольных отражателей различной длины.

Простейшей точечной целью являются уголковые отражатели. При относительно небольших геометрических размерах они обладают значительной величиной ЭПР в широком диапазоне длин волн, что позволяет эффективно имитировать различные точечные цели.

Уголковый отражатель состоит из жестко связанных между собой взаимно перпендикулярных плоскостей. Простейший уголковый отражатель представляет собой двугранный или трехгранный угол (рис.3.3,а,б).

Рис.3.3. Принцип действия уголкового отражателя:

а – двугранного;б – трехгранного.

Трехгранный уголковый отражатель обладает свойством зеркального отражения в сторону РЛС при облучении в пределах угла 45 0 , что обеспечивает сохранение большой ЭПР в пределах этого угла. Для расширения диаграммы рассеяния применяют уголковые отражатели, состоящие из четырех или восьми уголков. ДР трехгранного отражателя показана на рис.3.4.

Рис.3.4. Диаграмма рассеяния трехгранного отражателя.

На практике используются трехгранные уголковые отражатели, имеющие треугольную, прямоугольную или секторную форму (рис.3.5,а,б,в).

Рис.3.5. Уголковые отражатели: а – с треугольными гранями (θ 0,5 ≈ 60 0);

б – с секторными гранями; в – с квадратными гранями (θ 0,5 ≈ 35 0).

Для объектов простой геометрической формы можно получить аналитические выражения для определения их ЭПР. Так как плотность потока мощности прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля, то формулу ЭПР цели можно представить в виде

σ = 4πD 2 · Е 2 2 /Е 2 1

Отношение Е 2 /Е 1 , входящее в это выражение, можно найти на основании принципа Гюйгенса. Этот метод состоит в том, что каждая точка на поверхности облучаемого объекта рассматривается как источник вторичной сферической волны. Тогда, суммируя действие вторичных сферических волн в месте расположения РЛС, можно найти напряженность результирующего электрического поля вторичного излучения. Расчетные формулы для определения ЭПР некоторых простых целей приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1. ЭПР некоторых простых целей.

ЭПР имеет размерность площади, но не является геометрической площадью, а является энергетической характеристикой, то есть определяет величину мощности принимаемого сигнала.

ЭПР цели не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Любое увеличение ρ 1 ведёт к пропорциональному увеличению ρ 2 и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение ρ 2 / ρ 1 меняется обратно пропорционально R и величина ЭПР при этом остается неизменной.

ЭПР распространённых точечных целей

Для большинства точечных целей сведения о ЭПР можно найти в справочниках по радиолокации

Выпуклой поверхности

Поле от всей поверхности S определяется интегралом Необходимо определить E 2 и отношение при заданом расстоянии до цели…

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:

Плоской пластины

Плоская поверхность — частный случай криволинейной выпуклой поверхности.

Уголкового отражателя

Принцип действия уголкового отражателя

Уголковый отражатель представляет собой три перпендикулярно расположенных поверхности. В отличие от пластины уголковый отражатель даёт хорошее отражение в широком диапазоне углов.

Треугольный

Если используется уголковый отражатель с треугольными гранями, то ЭПР

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 радиолокациионные маяки.

Сектор отражения дипольного отражателя составляет ~70°

ЭПР сложных целей

ЭПР сложных реальных объектов измеряются на специальных установках, или полигонах, где достижимы условия дальней зоны облучения.

Чтобы избежать обнаружения радарами противника, современные истребители, корабли и ракеты должны иметь наименьшую эффективную площадь рассеяния (ЭПР). Учёные и инженеры, разрабатывающие такие малозаметные объекты, с помощью методик вычислительной электродинамики оптимизируют ЭПР и эффекты рассеяния произвольных объектов при использовании радаров. Рассматриваемый объект рассеивает падающие на него электромагнитные волны во всех направлениях, и часть энергии, возвращаемая к источнику электромагнитных волн в процессе т.н. обратного рассеяния, формирует своеобразное "эхо" объекта. ЭПР как раз является мерой интенсивности радиолокационного эхо-сигнала.

На практике применяют эталонную проводящую сферу в качестве объекта для калибровки радаров. Аналогичная постановка проблемы используется для верификации численного расчета ЭПР, поскольку решение данной классической задачи электродинамики было получено Густавом Ми еще в 1908 году .

В данной заметке мы расскажем о проведении такого эталонного расчета с помощью эффективной двумерной осесимметричной постановки, а также кратко отметим общие принципы решения широкого класса задач рассеяния в COMSOL Multiphysics ® .

Рис.1. Распределение электрического поля (его нормы) и усредненного по времени потока энергии (стрелки) вокруг идеально проводящей сферы в свободном пространстве.

Рассеяние на проводящей сфере: размер имеет значение

В трехмерной постановке даже с учетом использования идеально согласованных слоев (Perfectly Matched Layers - PML), позволяющих эффективно ограничить расчетную область и имитировать открытые границы, и условий симметрии, расчет с подробным разрешением по частоте/длине волны может занять достаточно много времени.

К счастью, если объект является осесимметричным и рассеивает волны изотропно, проведение полного 3d-анализа не требуется. Чтобы проанализировать распространение электромагнитных волн и резонансное поведение объекта, достаточно провести расчет для его поперечного сечения в двумерной осесимметричной постановке при задании определенных условий.

Двухмерная осесимметричная модель СВЧ-процесса: взгляд изнутри

Предположим, что наша сфера металлическая и имеет высокую проводимость. Для данной задачи поверхность сферы задается как идеальный электрический проводник (Perfect electric conductor - PEC), а её внутренняя часть исключается из расчетной области. Область вокруг нее определяется как вакуум с соответствующими материальными свойствами, а в самом внешнем слое используется PML сферического типа, используемый для поглощения всех исходящих волн и предотвращения отражения от границ расчетной области.

Моделирование металлических объектов в волновых электромагнитных задачах

Для численного решения задач электродинамики в частотной области существует несколько приемов для эффективного моделирования металлических объектов. На иллюстрации ниже отражены техники и рекомендации по использованию Переходного граничного условия (Transition boundary condition - TBC), Импедансного граничного условия (Impedance boundary condition - IBC) и условия типа Идеальный Электрический Проводник (Perfect Electric Conductor - PEC).

Рис. 3. Геометрия для осесимметричной постановки и задание фонового электромагнитного поля с левой круговой поляризацией в графическом интерфейсе COMSOL Multiphysics ® .

В расчётной области (кроме PML) задается возбуждение фонового поля с левой круговой поляризацией, направленного в отрицательном направлении оси z (Рис. 3). Обратите внимание, что выставлен расчет только для первой азимутальной моды.

По умолчанию для СВЧ-задач в COMSOL Multiphysics ® автоматически строится свободная треугольная (или тетраэдральная для 3D-задач) сетка под указанную для исследования в частотной области (Frequency Domain study) максимальную частоту, которая в рассматриваемом примере составляет 200 МГц. Чтобы обеспечить достаточное разрешение волновых процессов в модели, устанавливается максимальный размер элемента сетки, равный 0.2 длины волны. Другими словами пространственное разрешение задается как пять элементов второго порядка на длину волны. В идеально согласованных слоях сетка строится протяжкой в направлении поглощения, что обеспечивает максимальную эффективность работы PML.

Т.к. число степеней свободы в модели очень мало (по сравнению с трехмерной постановкой), то ее расчет занимает всего несколько секунд. На выходе пользователь может получить и визуализировать распределение электрического поля вокруг сферы (в ближней зоне), которое представляет собой сумму фонового и рассеянного полей.

Для данной задачи наиболее интересные характеристики относятся к области дальнего поля. Чтобы их получить в модели нужно активировать на внешней границе расчетной области (в данном случае на внутренней границе PML) условие Far-Field Calculation, что позволяет рассчитывать поля в дальней зоне за пределами расчетной области в любой точке на основе интегральных соотношений Страттона-Чу. Активация добавляет дополнительную переменную - амплитуду поля в дальней зоне, на основе которой в постобработке ПО рассчитывает инженерные переменные, соответствующие стандартам IEEE: эффективную изотропно излучаемую мощность, коэффициент усиления (т.н. Gain, в т.ч. учетом входного рассогласования), коэффициент направленного действия и ЭПР.

По полярному графику специалист может определить направленность поля в дальней зоне в определенной плоскости, а трехмерная диаграмма направленности в дальней зоне позволяет более подробно изучить поле рассеяния (рис. 4).

Рис. 4. Трехмерная визуализация поля в дальней зоне на основе двухмерной осесимметричной модели в COMSOL Multiphysics ® .

Восстановление решения для трехмерной задачи

Результаты для "сокращенной" модели в осесимметричной постановке относятся к процессу облучения проводящей сферы фоновым полем с круговой поляризацией. В исходной же 3d-задаче характеристики поля рассеяния исследуются для случая линейно-поляризованной плоской волны. Как обойти данное различие?

По определению линейную поляризацию можно получить, сложив правую и левую круговую поляризацию. Двухмерная осесимметричная модель с указанными выше настройками (Рис. 2) соответствует первой азимутальной моде (m = 1) фонового поля с левой круговой поляризацией. Решение для отрицательной азимутальной моды с правой круговой поляризацией легко вывести из уже решенной задачи, воспользовавшись свойствами симметрии и проведя простые алгебраические преобразования.

Проведя всего один двухмерный анализ и зеркально отобразив результаты уже в процессе постобработки, можно извлечь все необходимые данные, значительно сэкономив при этом вычислительные ресурсы (Рис.5).

Рис. 5. Сравнение развертки эффективной площади рассеяния (в логарифмическом масштабе) по углам рассеяния для полного трехмерного расчета и предложенной двухмерной осесимметричной модели.

Одномерный график (Рис. 5) со сравнением ЭПР демонстрирует приемлемое соответствие между трехмерной и двухмерной осесимметричной моделями. Небольшое расхождение наблюдается лишь в области прямого и обратного рассеяния, вблизи оси вращения.

В дополнение для наглядной визуализации полученных двухмерных результатов в трехмерном пространстве потребуется преобразование системы координат из цилиндрической в декартову . На рис. 6 приведена трехмерная визуализация результатов для двухмерной осесимметричной модели.

Рис. 6. Трехмерное представление полученных результатов на основе двумерного расчета.

Вращающиеся по спирали стрелки обозначают фоновое поле с круговой поляризацией. График в горизонтальном сечении представляет собой распределение радиальной составляющей фонового поля (волновой процесс отображен с помощью деформаций плоскости). На поверхности сферы построена норма полного электрического поля. Еще одна стрелочная диаграмма показывает суперпозицию двух круговых поляризаций, что эквивалентно фоновому полю с линейной поляризацией в трехмерном пространстве.

Заключение

В процессе современной разработки в области радиофизики и микроволновой техники для инженеров эффективные приемы моделирования, сокращающие ресурсоемкость и затраты времени, незаменимы вне зависимости от применяемого метода численного анализа.

Для сохранения целостности и воссоздании всех релевантных физических эффектов при моделировании реального компонента, обладающего большим электрическим размером, возможно упростить процесс численного расчета без потери точности путем решения задачи в двухмерной осесимметричной постановке. При моделировании и анализе таких осесимметричных объектов, как рассеивающие сферы и диски, конические рупорные и параболические антенны , вычисления для сечения устройства выполняются на несколько порядков быстрее, чем при использовании полной трехмерной модели.

Основы моделирования антенн в COMSOL Multiphysics

Рассеяние волн – одно из наиболее фундаментальных явлений физики, т.к. именно в форме рассеянных электромагнитных или акустических волн мы получаем огромную долю информации об окружающем мире. Полноволновые формулировки, доступные в модулях Радиочастоты и Волновая Оптика, а также в модуле Акустика, позволяют детально моделировать эти явления с помощью метода конечных элементов. В данном вебинаре мы обсудим сложившиеся практики решения задач рассеяния в COMSOL, включая использование формулировок рассеянного поля (Background Field), функционала по анализу полей в дальней зоне (Far-Field Calculation), проведения широполосных расчетов с помощью новых технологий на основе разрывного метода Галеркина (dG-FEM), а также моделирования антенн и датчиков в режиме приема сигнала.

В завершение вебинара мы обсудим доступные шаблоны и примеры в Библиотеке моделей и приложений от COMSOL, а также ответим на вопросы пользователе по данной теме.

Также можно запросить демонстрационную версию COMSOL в комментариях или на нашем сайте .

Финальная гифка:

Принято различать зеркальное, диффузное и резонансное отражения. Если линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность гладкая, то возникает зеркальное отражение. При этом угол падения радиолуча равен углу отражения, и волна вторичного излучения не возвращается к РЛС (за исключением случая нормального падения).

Если линейные размеры поверхности объекта велики по сравнению с длиной волны, а сама поверхность шероховатая, что имеет место диффузное отражение. При этом благодаря различной ориентации элементов поверхности электромагнитные волны рассеиваются в различных направлениях, в том числе и в направлении на РЛС. Резонансное отражение наблюдается в том случае, когда линейные размеры отражающих объектов или их элементов равны нечетному числу полуволн. В отличие от диффузного отражения, вторичное резонансное излучение обычно обладает большой интенсивностью и резко выраженной направленностью, зависящей от конструкции и ориентации вызывающего отражение элемента.

В тех случаях, когда длина волны велика по сравнению с линейными размерами цели, падающая волна огибает цель и интенсивность отраженной волны ничтожно мала.

С точки зрения формирования сигнала при отражении объекты радиолокационного наблюдения принято делить на малоразмерные и распределенные в пространстве или на поверхности.

К малоразмерным относятся объекты, размеры которых значительно меньше размеров элемента разрешения РЛС по дальности и угловым координатам. В ряде случаев малоразмерные объекты имеют простейшую геометрическую конфигурацию. Их отражающие свойства могут быть легко определены теоретически и предсказаны для каждого конкретного относительного расположения рассматриваемой цели и РЛС. В реальных условиях цели простейшего типа встречаются довольно редко. Чаще приходится иметь дело с объектами сложной конфигурации, которые состоят из целого ряда жестко связанных между собой простейших отражающих элементов. Примерами целей сложной конфигурации могут служить самолеты, корабли, различные сооружения и т. д.

Другие цели представляют собой совокупность отдельных объектов, распределенных в определенной области пространства, значительно превышающей по своим размерам элемент разрешения РЛС. В зависимости от характера этого распределения различают объемно-распределенные (например, дождевое облако) и поверхностно-распределенные (поверхность суши и т. д.) цели. Отраженный от такой цели сигнал является результатом интерференции сигналов отражателей, распределенных в пределах элемента разрешения.

Для фиксированного взаимного положения РЛС и отражающих объектов амплитуда и фаза отраженной волны имеют вполне определенную величину. Поэтому в принципе для каждого конкретного случая может быть определен результирующий суммарный отраженный сигнал. Однако в процессе радиолокационного наблюдения относительное положение целей и РЛС обычно меняется, что приводит к случайным флюктуациям интенсивности и фазы результирующих отраженных сигналов.

Эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР).

Расчет дальности радиолокационного наблюдения требует количественной характеристики интенсивности отраженной волны. Мощность отраженного сигнала на входе приемника станции зависит от целого ряда факторов и прежде всего от отражающих свойств цели. Обычно радиолокационные цели характеризуются эффективной площадью рассеяния. Под эффективной площадью рассеяния цели в случае, когда антенна РЛС излучает и принимает электромагнитные волны одной и той же поляризации, понимается величина σц, удовлетворяющая равенству σцП1=4πК2П2, где П1 -плотность потока мощности прямой волны данной поляризации в точке расположения цели; П2 - плотность потока мощности отраженной от цели волны данной поляризации у антенны РЛС; R - расстояние от РЛС до цели. Значение ЭПР непосредственно может быть вычислено по формуле

σцП1=4πR2П2/ П1

Как следует из формулы приведенной выше, σц имеет размерность площади. Поэтому ее условно можно рассматривать как некоторую эквивалентную цели нормальную радиолучу площадку площадью σц, которая, изотропно рассеивая всю падающую на нее от РЛС мощность волны, создает в точке приема ту же плотность потока мощности П2, что и реальная цель.

Если задана ЭПР цели, то при известных величинах П1 и R можно вычислить плотность потока мощности отраженной волны П, а затем, определив мощность принимаемого сигнала, оценить дальность действия радиолокационной станции.

Эффективная площадь рассеяния σц не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Действительно, всякое увеличение П1 ведет к пропорциональному увеличению П2 и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение П2/П1 меняется обратно пропорционально R2 и величина σц при этом остается неизменной.

Сложные и групповые цели

Рассмотрение простейших отражателей не вызывает затруднения. Большинство реальных радиолокационных целей представляет собой сложную комбинацию отражателей различного типа. В процессе радиолокационного наблюдения таких целей имеют дело с сигналом, который является результатом интерференции нескольких сигналов, отраженных от отдельных элементов цели.

При облучении сложного объекта (например, самолет, корабль, танк и т. д.) характер отражений от его отдельных элементов сильно зависит от их ориентации. В некоторых положениях определенные части самолета или корабля могут давать весьма интенсивные сигналы, а в других положениях интенсивность отраженных сигналов может падать до нуля. Кроме того, при изменении положения объекта относительно РЛС меняются фазовые соотношения между сигналами, отраженными от различных элементов. В результате этого возникают флюктуации результирующего сигнала.

Возможны и другие причины изменений интенсивности отраженных сигналов. Так, может наблюдаться изменение проводимости между отдельными элементами самолета, одной из причин которого являются вибрации, обусловленные работой двигателя. При изменении проводимости меняются распределения токов, наведенных на поверхности самолета, и интенсивность отраженных сигналов. У винтовых и турбовинтовых самолетов дополнительным источником изменения интенсивности отражений является вращение винт.

Рис 2.1. Зависимость ЭПР цели от ракурса.

В процессе радиолокационного наблюдения взаимное положение самолета (корабля) и РЛС непрерывно меняется. Результатом этого являются флюктуации отраженных сигналов и соответствующие им изменения ЭПР. Законы распределения вероятностей эффективной площади рассеяния цели и характер изменений этой величины во времени обычно определяются экспериментально. Для этого записывают интенсивность отраженных сигналов и после обработки записи находят статистические характеристики сигналов и ЭПР.

Как показали многие исследования, для флюктуации σц самолетов с достаточной точностью справедлив экспоненциальный закон распределения