Průřez radaru - Radar cross-section

Typický diagram RCS ( A-26 Invader )

Radarový průřez ( RCS ) je měřítkem toho, jak je objekt detekovatelný radarem . Proto se nazývá elektromagnetický podpis objektu. Větší RCS indikuje, že objekt je snadněji detekován.

Objekt odráží omezené množství radarové energie zpět ke zdroji. Mezi faktory, které to ovlivňují, patří:

  • materiál, ze kterého je vyroben cíl;
  • velikost cíle vzhledem k vlnové délce osvětlujícího radarového signálu;
  • absolutní velikost cíle;
  • úhel dopadu (úhel, ve kterém radarový paprsek narazí na konkrétní části cíle, které závisí na tvaru terče a její orientace ke zdroji radar);
  • úhel odrazu (úhel, pod kterým odražený paprsek opouští část zasaženého cíle; závisí na úhlu dopadu);
  • polarizace vysílaného a přijímaného záření s ohledem na orientaci cíle.

I když je síla při detekci cílů důležitá, síla vysílače a vzdálenost nejsou faktory, které ovlivňují výpočet RCS, protože RCS je vlastností odrazivosti cíle.

Radarový průřez se používá k detekci letadel v široké škále rozsahů. Například neviditelné letadlo (které je navrženo tak, aby mělo nízkou detekovatelnost) bude mít konstrukční vlastnosti, které mu dávají nízké RCS (například savá barva, ploché povrchy, povrchy specificky skloněné tak, aby odrážely signál někde jinde než směrem ke zdroji), jako na rozdíl od osobního letadla, které bude mít vysoký RCS (holý kov, zaoblené povrchy účinně zaručují, že budou odrážet nějaký signál zpět ke zdroji, mnoho výčnělků, jako jsou motory, antény atd.). RCS je nedílnou součástí vývoje technologie utajení radarů , zejména v aplikacích zahrnujících letadla a balistické střely . Data RCS pro současná vojenská letadla jsou nejvíce utajována.

V některých případech je zajímavé podívat se na oblast na zemi, která obsahuje mnoho předmětů. V těchto situacích je užitečné použít související veličinu nazývanou koeficient rozdílového rozptylu (také nazývaný normalizovaný koeficient průřezu radaru nebo koeficient zpětného rozptylu ) σ 0 („sigma nula“), což je průměrný průřez radaru radarem objektů na jednotku plochy:

kde:

  • RCS i je radarový průřez konkrétního objektu a
  • A i je oblast na zemi spojená s tímto objektem.

Definice

Neformálně je RCS objektu plocha průřezu dokonale odrážející koule, která by vytvářela stejný silový odraz jako předmětný předmět. (Větší velikosti této imaginární sféry by vytvářely silnější odrazy.) RCS je tedy abstrakce: radarová plocha průřezu objektu nemusí nutně mít přímý vztah k fyzické ploše průřezu tohoto objektu, ale závisí na jiných faktory.

Poněkud méně neformálně je RCS radarového cíle efektivní oblastí, která zachycuje vysílaný radarový výkon a poté jej izotropicky rozptyluje zpět do radarového přijímače.

Přesněji řečeno, RCS radarového cíle je hypotetická oblast potřebná k zachycení vysílané hustoty výkonu na cíli tak, že pokud by byl celkový zachycený výkon znovu vyzařován izotropicky, byla by vytvořena skutečně pozorovaná hustota výkonu v přijímači. Toto tvrzení lze chápat zkoumáním monostatická (radarový vysílač a přijímač společně umístěného) radiolokační rovnice jedno období v čase:

kde

  • = vstupní výkon vysílače (watty)
  • = zisk radarové vysílací antény (bezrozměrný)
  • = vzdálenost od radaru k cíli (metry)
  • = radarový průřez cíle (metry na druhou)
  • = efektivní plocha radarové přijímací antény (metry na druhou)
  • = výkon získaný zpět z cíle radarem (watty)

Termín v radarové rovnice představuje hustota výkonu (wattů na čtvereční metr), že radarový vysílač vysílá na cíl. Tuto hustotu výkonu zachytí cíl s radarovým průřezem , který má jednotky oblasti (metry na druhou). Produkt má tedy rozměry výkonu (watty) a představuje hypotetický celkový výkon zachycený radarovým cílem. Druhý termín představuje izotropní šíření této zachycené energie z cíle zpět do radarového přijímače. Produkt tedy představuje hustotu odraženého výkonu v radarovém přijímači (opět watty na metr na druhou). Přijímací anténa pak sbírá tuto hustotu výkonu s efektivní plochou , čímž získává energii přijímanou radarem (watty), jak je uvedeno v radarové rovnici výše.

Rozptyl dopadající radarové energie radarovým cílem není nikdy izotropní (dokonce ani pro sférický cíl) a RCS je hypotetická oblast. V tomto světle lze na RCS pohlížet jednoduše jako na korekční faktor, díky kterému radarová rovnice „funguje správně“ pro experimentálně pozorovaný poměr . RCS je však nesmírně cenný koncept, protože je vlastností samotného cíle a může být měřen nebo počítán. RCS tedy umožňuje analyzovat výkonnost radarového systému s daným cílem nezávisle na parametrech radaru a záběru. Obecně je RCS silnou funkcí orientace radaru a cíle, nebo pro bistatickou (radarový vysílač a přijímač není umístěn společně) funkcí orientace vysílač-cíl a přijímač-cíl. RCS cíle závisí na jeho velikosti, odrazivosti jeho povrchu a směrovosti odrazu radaru způsobené geometrickým tvarem cíle.

Faktory

Velikost

Zpravidla platí, že čím větší je objekt, tím silnější je jeho radarový odraz, a tím větší je jeho RCS. Radar jednoho pásma nemusí ani detekovat objekty určité velikosti. Například 10 cm (radar v pásmu S) dokáže detekovat kapky deště, ale ne mraky, jejichž kapičky jsou příliš malé.

Materiál

Materiály, jako je kov, silně odrážejí radar a mají tendenci vytvářet silné signály. Dřevo a tkanina (jako části letadel a balónků, které se běžně vyráběly) nebo plast a sklolaminát jsou méně reflexní nebo dokonce transparentní pro radar, takže jsou vhodné pro radomy . I velmi tenká vrstva kovu může způsobit, že objekt bude silně radarový. Plevy se často vyrábějí z pokoveného plastu nebo skla (podobným způsobem jako pokovené fólie na potravinách) s mikroskopicky tenkými vrstvami kovu.

Některá zařízení jsou také navržena tak, aby byla aktivní radar, jako jsou radarové antény, což zvýší RCS.

Radarová absorpční barva

V SR-71 Blackbird a další letadla byly natřeny speciálním „ železo kulového barvou “, která se skládala z malých kovových potažené kuličky. Přijatá energie radaru se převádí na teplo, než aby se odrážela.

Tvar, směrovost a orientace

Povrchy letounu F-117A jsou navrženy tak, aby byly ploché a velmi šikmé. To má za následek, že radar bude dopadat pod velkým úhlem (k normálnímu paprsku ), který se pak odrazí pod podobně vysokým odraženým úhlem; je to rozptýlené dopředu. Hrany jsou ostré, aby se zabránilo zaobleným povrchům. Zaoblené povrchy budou mít často určitou část povrchu kolmou ke zdroji radaru. Protože jakýkoli paprsek dopadající podél normálu se bude odrážet zpět podél normálu, bude to znamenat silný odražený signál.

Z boku bude stíhací letoun při pohledu zepředu představovat mnohem větší plochu než stejné letadlo. Pokud jsou všechny ostatní faktory stejné, bude mít letadlo silnější signál z boku než zepředu, takže je důležitá orientace mezi radarovou stanicí a cílem.

Hladké povrchy

Reliéf povrchu by mohl obsahovat vruby, které fungují jako rohové reflektory, což by zvýšilo RCS z mnoha orientací. To může vzniknout v důsledku otevřených pumovnic, sání motoru, stožárů munice, spojů mezi konstruovanými sekcemi atd. Rovněž může být nepraktické potáhnout tyto povrchy materiály pohlcujícími radary .

Měření

Velikost obrazu cíle na radaru se měří radarovým průřezem nebo RCS, často reprezentovaným symbolem σ a vyjádřeným v metrech čtverečních. To se nerovná geometrické ploše. Dokonale vodivá koule projektované plochy průřezu 1 m 2 (tj. Průměr 1,13 m) bude mít RCS 1 m 2 . Všimněte si, že pro vlnové délky radaru mnohem menší než průměr koule je RCS nezávislé na frekvenci. Naopak, čtvercová plochá deska o ploše 1 m 2 bude mít RCS σ = 4π A 2 / λ 2 (kde A = plocha, λ = vlnová délka) nebo 13 962 m 2 na 10 GHz, pokud je radar kolmý na rovinu povrch. Při neobvyklých úhlech dopadu se energie odráží od přijímače, což snižuje RCS. O moderních tajných letadlech se říká, že mají RCS srovnatelné s malými ptáky nebo velkým hmyzem, i když se to velmi liší v závislosti na letadle a radaru.

Pokud by RCS přímo souviselo s oblastí průřezu cíle, jediným způsobem, jak jej snížit, by bylo zmenšit fyzický profil. Cíl tím, že odrazí většinu radiace pryč nebo ji absorbuje, dosáhne menšího radarového průřezu.

Měření RCS cíle se provádí v rozsahu odrazivosti radaru nebo v rozptylovém rozsahu . Prvním typem dosahu je venkovní dosah, kde je cíl umístěn na speciálně tvarovaném nízkém RCS pylonu v určité vzdálenosti od vysílačů. Takový dosah eliminuje potřebu umístění radarových absorbérů za cíl, je však třeba zmírnit vícecestné interakce se zemí.

Zvukotěsné komoře je také běžně používaný. V takové místnosti je cíl umístěn na otočný pilíř uprostřed a stěny, podlahy a strop jsou pokryty hromádkami materiálu absorbujícího radar. Tyto absorbéry zabraňují poškození měření v důsledku odrazů. Kompaktní řada je bezodrazová komora s reflektorem pro simulaci podmínek ve vzdáleném poli.

Typické hodnoty pro radar s centimetrovou vlnou jsou:

Výpočet

Kvantitativně je RCS vypočítán ve třech rozměrech jako

Kde je RCS, je hustota dopadajícího výkonu měřená na cíli a je hustota rozptýleného výkonu pozorovaná ve vzdálenosti od cíle.

V elektromagnetické analýze je toto také běžně psáno jako

kde a jsou rozptýlené vzdálené pole a intenzity dopadajícího elektrického pole .

Ve fázi návrhu je často žádoucí použít počítač k předpovědi, jak bude RCS vypadat, než se vyrobí skutečný objekt. Mnoho iterací tohoto predikčního procesu lze provést v krátkém čase za nízké náklady, zatímco použití měřicího rozsahu je často časově náročné, nákladné a náchylné k chybám. Linearita Maxwellových rovnic činí RCS relativně přímočarým pro výpočet pomocí různých analytických a numerických metod, ale měnící se úrovně vojenského zájmu a potřeba utajení učinily pole náročným, nicméně.

Pole řešení Maxwellových rovnic pomocí numerických algoritmů se nazývá výpočetní elektromagnetika a na problém predikce RCS bylo aplikováno mnoho efektivních analytických metod. Software pro predikci RCS je často provozován na velkých superpočítačích a využívá CAD modely reálných radarových cílů s vysokým rozlišením .

Vysokofrekvenční aproximace, jako je geometrická optika , fyzikální optika , geometrická teorie difrakce , jednotná teorie difrakce a fyzikální teorie difrakce, se používají, pokud je vlnová délka mnohem kratší než velikost cílového prvku.

Statistické modely zahrnují chi-square , Rice a log-normal cílové modely. Tyto modely se používají k předpovídání pravděpodobných hodnot RCS s průměrnou hodnotou a jsou užitečné při spouštění radarových simulací Monte Carlo .

Čistě numerické metody, jako je metoda hraničních prvků ( metoda momentů ), metoda časové domény s konečnými rozdíly ( FDTD ) a metody konečných prvků, jsou omezeny výkonem počítače na delší vlnové délky nebo menší vlastnosti.

Ačkoli se v jednoduchých případech rozsahy vlnových délek těchto dvou typů metod značně překrývají, pro obtížné tvary a materiály nebo velmi vysokou přesnost jsou kombinovány v různých druzích hybridních metod .

Snížení

B-2 Spirit byl jeden z prvního letadla úspěšně získání ‚neviditelné‘ pro radar.
Detail Forbin , moderní fregaty z francouzského námořnictva . Fazetový vzhled snižuje utajení radaru .

Redukce RCS je důležitá hlavně v utajené technologii letadel, raket, lodí a dalších vojenských vozidel. S menšími RCS se vozidla mohou lépe vyhnout detekci radaru, ať už jde o pozemní instalace, naváděné zbraně nebo jiná vozidla. Snížený design podpisů také zlepšuje celkovou schopnost přežití platforem díky zlepšené účinnosti jeho radarových protiopatření.

Existuje několik metod. Vzdálenost, na kterou lze pro danou konfiguraci radaru detekovat cíl, se mění se čtvrtým kořenem jeho RCS. Proto, aby se detekční vzdálenost zkrátila na jednu desetinu, by měl být RCS snížen o faktor 10 000. I když je tento stupeň vylepšení náročný, často je to možné při ovlivňování platforem během fáze koncepce/návrhu a pomocí odborníků a pokročilých simulací počítačového kódu k implementaci níže popsaných možností řízení.

Účelné tvarování

Při účelovém tvarování je tvar odrazných ploch cíle navržen tak, aby odrážely energii od zdroje. Cílem je obvykle vytvořit „kužel ticha“ o směru pohybu cíle. Vzhledem k odrazu energie je tato metoda poražena použitím pasivních (multistatických) radarů .

Účelové tvarování je možné vidět na konstrukci povrchových faset na letounu F-117A Nighthawk se skrytým útokem. Toto letadlo, navržené na konci 70. let 20. století, přestože bylo veřejnosti odhaleno až v roce 1988, využívá množství plochých povrchů k odrážení dopadající radarové energie od zdroje. Yue navrhuje, aby omezený dostupný výpočetní výkon pro fázi návrhu omezil počet povrchů na minimum. Na B-2 Spirit Stealth bombardovací prospěch ze zvýšené výpočetního výkonu, což umožňuje jeho profilové tvary a další snížení RCS. F-22 Raptor a F-35 Lightning II pokračovat trend účel formování a slibují, že mají ještě menší monostatická RCS.

Přesměrování rozptýlené energie bez tvarování

Tato technika je relativně nová ve srovnání s jinými technikami hlavně po vynálezu metasurfaces. Jak již bylo zmíněno dříve, primárním cílem změny geometrie je přesměrovat rozptýlené vlny směrem od zpětně rozptýleného směru (nebo zdroje). Může to však ohrozit výkon, pokud jde o aerodynamiku. Jedním z proveditelných řešení, které bylo v poslední době široce prozkoumáno, je využití metasurfaces, které mohou přesměrovat rozptýlené vlny bez změny geometrie cíle. Takové metasurface lze primárně zařadit do dvou kategorií: (i) šachovnicová metasurfaces, (ii) metasurfaces index gradientu.

Aktivní zrušení

Při aktivním zrušení cíl generuje radarový signál o stejné intenzitě, ale opačné ve fázi, než předpokládaný odraz dopadajícího radarového signálu (podobně jako u sluchátek s potlačením hluku). To vytváří destruktivní rušení mezi odraženými a generovanými signály, což má za následek snížení RCS. Aby byly začleněny techniky aktivního rušení, musí být známy přesné charakteristiky tvaru vlny a úhlu příjezdu osvětlujícího radarového signálu, protože definují povahu generované energie potřebné pro zrušení. S výjimkou jednoduchých nebo nízkofrekvenčních radarových systémů je implementace technik aktivního rušení extrémně obtížná kvůli složitým požadavkům na zpracování a obtížnosti předpovědi přesné povahy odraženého radarového signálu v širokém aspektu letadla, rakety nebo jiného cíle.

Radarový absorpční materiál

Radarový absorpční materiál (RAM) lze použít v původní konstrukci nebo jako doplněk vysoce lesklých povrchů. Existují nejméně tři typy paměti RAM: rezonanční, rezonanční magnetické a nerezonující velký objem.

  • Na odrážející povrchy terče jsou naneseny rezonanční, ale poněkud 'ztrátové' materiály. Tloušťka materiálu odpovídá jedné čtvrtině vlnové délky očekávané osvětlovací radarové vlny ( Salisburyho obrazovka ). Energie dopadajícího radaru se odráží od vnějších a vnitřních povrchů RAM a vytváří destruktivní interferenční vlnovou strukturu. To má za následek zrušení odražené energie. Odchylka od očekávané frekvence způsobí ztráty absorpce radaru, takže tento typ paměti RAM je užitečný pouze proti radaru s jedinou, společnou a neměnnou frekvencí.
  • Nerezonanční magnetická RAM využívá feritové částice suspendované v epoxidu nebo barvě ke snížení odrazivosti povrchu na dopadající radarové vlny. Protože neresonanční RAM rozptyluje dopadající energii radaru na větší povrch, obvykle to vede k triviálnímu zvýšení povrchové teploty, čímž se sníží RCS bez zvýšení infračerveného podpisu. Hlavní výhodou non-rezonanční RAM je, že může být účinná v širokém rozsahu frekvencí, zatímco rezonanční RAM je omezena na úzký rozsah návrhových frekvencí.
  • Velkoobjemová RAM je obvykle odporová zátěž uhlíku přidaná ke strukturám letadel se šestiúhelníkovými buňkami ze skelných vláken nebo jiným nevodivým součástem. Lze také přidat ploutve odporových materiálů. Pro kosmické lodě mohou být vhodné tenké odporové plechy rozmístěné pěnou nebo aerogelem .

Tenké povlaky vyrobené pouze z dielektrik a vodičů mají velmi omezenou absorpční šířku pásma, takže magnetické materiály se používají, pokud to hmotnost a náklady dovolí, buď v rezonanční RAM nebo jako rezonanční RAM.

Redukce RCS na bázi plazmy

Plazmové utajení je navrhovaný postup pro použití ionizovaného plynu (plazmy) ke snížení RCS letadla. Interakce mezi elektromagnetickým zářením a ionizovaným plynem byly rozsáhle studovány pro mnoho účelů, včetně skrytí letadel před radarem jako technologie utajení. Různé metody by pravděpodobně mohly vytvořit vrstvu nebo oblak plazmy kolem vozidla k vychýlení nebo absorpci radaru, od jednodušších elektrostatických nebo radiofrekvenčních (RF) výbojů po složitější laserové výboje. Je teoreticky možné snížit RCS tímto způsobem, ale v praxi to může být velmi obtížné. Ačkoli byl efekt RCS prokázán v experimentech, předběžná injekce pro raketu i stíhačky zlepšila manévrovatelnost a rychlost.

Optimalizační metody

Tenké nerezonanční nebo široké rezonanční povlaky lze modelovat s okrajovým stavem impedance Leontovich (viz také elektrická impedance ). Toto je poměr tangenciálního elektrického pole k tangenciálnímu magnetickému poli na povrchu a ignoruje pole šířící se podél povrchu uvnitř povlaku. To je zvláště výhodné při použití výpočtů metody hraničních prvků . Povrchovou impedanci lze vypočítat a vyzkoušet samostatně. Pro izotropní povrch je ideální povrchová impedance rovna impedanci 377 ohmů volného prostoru . U neizotropních ( anizotropních ) povlaků závisí optimální povlak na tvaru cíle a směru radaru, ale dualita, symetrie Maxwellových rovnic mezi elektrickým a magnetickým polem, říká, že optimální povlaky mají η 0 × η 1 = 377 2 Ω 2 , kde η 0 a η 1 jsou kolmé složky anizotropní povrchové impedance, zarovnané s hranami a/nebo směrem k radaru.

Dokonalý elektrický vodič má více zpětného rozptylu od náběžné hrany pro lineární polarizaci s elektrickým polem rovnoběžným s okrajem a více od odtokové hrany s elektrickým polem kolmým k hraně, takže vysoká povrchová impedance by měla být rovnoběžná s náběžnými hranami a kolmo k odtokovým hranám, pro největší směr radarové hrozby, s jakýmsi plynulým přechodem mezi.

Chcete-li vypočítat radarový průřez takového skrytého tělesa, obvykle byste provedli jednorozměrné výpočty odrazu pro výpočet povrchové impedance, poté dvourozměrné numerické výpočty pro výpočet difrakčních koeficientů hran a malé trojrozměrné výpočty pro výpočet difrakčních koeficientů rohů a bodů. Průřez pak lze vypočítat pomocí difrakčních koeficientů pomocí fyzikální teorie difrakce nebo jiné vysokofrekvenční metody v kombinaci s fyzickou optikou pro zahrnutí příspěvků z osvětlených hladkých povrchů a Fockových výpočtů k výpočtu plazivých vln kroužících kolem hladkých stínovaných částí .

Optimalizace je v opačném pořadí. Nejprve provedete vysokofrekvenční výpočty za účelem optimalizace tvaru a nalezení nejdůležitějších vlastností, poté malé výpočty pro nalezení nejlepších povrchových impedancí v problémových oblastech a poté výpočty odrazu pro návrh povlaků. Velké numerické výpočty mohou běžet příliš pomalu na numerickou optimalizaci nebo mohou odvrátit pozornost pracovníků od fyziky, i když je k dispozici obrovský výpočetní výkon.

RCS antény

V případě antény lze celkový RCS rozdělit na dvě samostatné složky jako strukturální režim RCS a režim antény RCS. Tyto dvě složky RCS se týkají dvou jevů rozptylu, ke kterým dochází na anténě. Když elektromagnetický signál dopadne na povrch antény, část elektromagnetické energie se rozptýlí zpět do prostoru. Toto se nazývá rozptyl strukturálního režimu. Zbývající část energie je absorbována vlivem antény. Některá část absorbované energie je opět rozptýlena zpět do prostoru v důsledku nesouladu impedance, nazývaného rozptyl režimu antény.

Viz také

Reference

  • Shaeffer, Tuley a Knott. Radarový průřez . SciTech Publishing, 2004. ISBN  1-891121-25-1 .
  • Harrington, Roger F. Časově harmonická elektromagnetická pole . McGraw-Hill, Inc., 1961. ISBN  0-471-20806-X
  • Balanis, Constantine A. Pokročilé inženýrství Elektromagnetika . Wiley, 1989. ISBN  0-471-62194-3 .
  • „Hybridní metoda založená na vzájemnosti pro výpočet difrakce pomocí koncových hran“ David R. Ingham, IEEE Trans. Antény Propagat. , 43 č. 11, listopad 1995, s. 1173–82.
  • „Revidované metody integrace v postupu Galerkin BoR“ David R. Ingham, Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Journal 10 č. 2, červenec 1995, s. 5–16.
  • „Hybridní přístup ke koncovým hranám a koncovým koncům“ David R. Ingham, sborník ze sympozia ACES , 1993, Monterey.
  • „Extrapolace časové domény do vzdáleného pole na základě výpočtů FDTD“ Kane Yee , David Ingham a Kurt Shlager, IEEE Trans. Antény Propagat. , 39 č. 3, březen 1991, s. 410–413.
  • „Numerický výpočet difrakce hran pomocí vzájemnosti“ David Ingham, Proc. Int. Konf. Antény Propagat. , IV, květen 1990, Dallas, s. 1574–1577.
  • „Extrapolace časové domény do vzdáleného pole na základě výpočtů FDTD“ Kane Yee, David Ingham a Kurt Shlager, pozvaný papír, Proc. Konf. URSI , 1989, San José.

externí odkazy