CC BY
124
Радиотехника и связь
DOI 10.36622^Ти.2020.16.5.0П УДК 621.396
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ ПРОСТЫХ ТЕЛ
С.А. Антипов1, А.В. Володько1,2, Е.А. Ищенко1, В.Н. Кострова1, К.А. Разинкин1, С.М. Фёдоров1,2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрены картины моностатической эффективной площади рассеяния для простых геометрических тел. Для простой металлической пластины был произведен теоретический расчет значения эффективной площади рассеяния (ЭПР), а также произведено моделирование с использованием метода Вейланда, по результатам которого были доказаны точность и эффективность моделирования в специализированном программном обеспечении (ПО). Для определения эффективной площади рассеяния шара рассматривались три случая: когда размеры шара превосходят длину волны; размеры малы, а в качестве материала изготовления выбран проводник; при сохранении размеров материал изготовления заменяется на диэлектрик - стекло. По полученным результатам сделаны выводы о важности сопоставления длины волны с геометрическими размерами тела, а также о положительном влиянии диэлектрических материалов на значение ЭПР. При исследовании цилиндра рассматривались два случая, которые могут возникнуть при исследовании ЭПР цилиндрического объекта, а именно, когда волна падает на боковую поверхность тела и на верхнюю грань. Было показано, что наихудшие значения эффективной площади рассеяния наблюдаются при падении плоской волны на верхние - идеально плоские грани цилиндра. Приведены результаты в виде картин моностатической ЭПР, максимальных значений эффективной площади рассеяния
Ключевые слова: эффективная площадь рассеяния, моностатическая ЭПР
Введение
Исследование эффективной площади рассеяния тел является трудоемкой и важной задачей, так как понижение значения данного параметра у тел позволяет добиться огромной выгоды. Так, низкие значения ЭПР являются важным требованием к современным самолетам 4+ и 5-поколения. Понижение радиолокационной заметности позволяет выполнять задачи, оставшись при этом не замеченным. Для понижения ЭПР применяются специальные материалы, которые поглощают плоскую волну, которая приходит от радиолокатора.
Расчет ЭПР простых тел возможен аналитически, однако при исследовании такой сложной геометрически конструкции, как самолет или же ракета, к сожалению, невозможно определить значение эффективной площади рассеяния, для этого удобнее всего применять специализированное программное обеспечение. Целью данной статьи является проверка результатов моделирования ЭПР простых тел, построение их диаграмм обратного рассеяния (моно-
© Антипов С.А., Володько А.В., Ищенко Е.А., Кострова В.Н., Разинкин К.А., Фёдоров С.М., 2020
статическая ЭПР) с аналитическим расчетом значений эффективной площади рассеяния.
Исследование эффективной площади рассеяния тонкой металлической пластины
Тонкая металлическая пластина является самым простым телом, с которого начинается изучение ЭПР простого тела, так для расчета данного параметра требуется знать лишь геометрические размеры пластины - длину и ширину, а также частоту расчета ЭПР, чтобы определить длину волны:
а = ^а2^2, (1)
где о - эффективная площадь рассеяния, м2;
А - длина волны (может быть рассчитана как отношение скорости света к частоте расчетов), м;
а - длина стороны пластины, м;
Ь - ширина стороны пластины, м;
Рассчитаем ЭПР для квадратной пластины со сторонами 30 мм, для частоты 10 ГГц, тогда подставив в (1) получим:
а = 0.011 м2 = 11000 мм2. (2)
Произведем проверку полученного значения с использованием моделирования, для моделирования необходимо определить плоскую
волну, которая будет падать на объект исследования (рис. 1).
расчета соответствующего значения ЭПР, поэтому значительно проще произвести соответствующее моделирование, что позволит наиболее точно определить моностатическую ЭПР шара.
Для случая, когда радиус шара равен или больше длины волны, рассмотрим ситуацию, в которой шар радиусом 40 мм облучается плоской волной с частотой 10 ГГц (рис. 3), так при облучении с этой частотой длина волны будет равна 30 мм.
Рис. 1. Моделируемая ситуация
По результатам моделирования будет построена моностатическая ЭПР (рис. 2), на основе которой можно определить максимальное значение эффективной площади рассеяния.
Рис. 2. Моностатическая ЭПР металлической пластины
По полученной картине моностатической ЭПР можно сделать вывод, что полученное в процессе моделирования значение ЭПР составляет 0.0103 м2, таким образом, полученное значение достаточно точно повторяет значение, которое было получено при расчете в соответствии с формулой (1).
Исследование эффективной площади рассеяния шара
При исследовании эффективной площади рассеяния шара рассматриваются 3 случая [1]:
1) радиус шара соизмерим или много больше длины волны;
2) малый металлический шар, радиус которого много меньше длины волны;
3) малый шар, который изготовлен из диэлектрического материала.
Для каждого из трех случаев требуется использовать свою аналитическую формулу для
Рис. 3. Исследуемый шар радиусом 40 мм
По результатам моделирования было получено, что ЭПР шара в данном случае составил 0.376 м2, а моностатическая ЭПР приведена на рис. 4, причем применен дБ вид отображения, чтобы было более отчетливо видно все компоненты отраженной волны.
Рис. 4. Моностатическая ЭПР крупного металлического шара
Для исследования ЭПР малого металлического шара выберем радиус шара равный 4.8 мм, при этом частоту моделирования оставим прежней, равной 10 ГГц. Рассматриваемая ситуация приведена на рис. 5.
Рис. 5. Моделируемая ситуация с шаром радиусом 4.8 мм
По полученным результатам эффективная площадь рассеяния составила 0.000257 м2 (рис. 6).
ВйаНсбгайешд RCS Abs [Phi=0)
Phi= 0 30
30 РК=180
- farfield (f=10] [pm]
Tlieta I Decree VS.
Frequency = 10 GHz Mah lobe magn'cude = 0.000257 mA2 Man lobe died™ = 0.0 deg. Angiikr wdth [3 dB) = 123.3 deg. Skfe lobe level = Ч_Ч i'H
Рис. 6. Моностатическая ЭПР для малого шара
По полученным результатам видно, что при уменьшении радиуса сферы в 8.33 раза эффективная площадь рассеяния уменьшилась в 1463 раза, при сохранении того же материала и той же частоты облучения, соответственно, можно сделать вывод о важности сопоставления размеров объекта и длины волны.
Особый интерес в процессе внедрения стелс-технологии вызвало изучение влияния материалов покрытия и изготовления объектов на картину моностатической ЭПР, так как изменение геометрических параметров объекта не всегда возможно реализовать, например, самолет должен обладать малым коэффициентом лобового сопротивления, а острые и ломаные грани значительно ухудшают аэродинамические характеристики. Так, первое применение радиопоглощающих материалов было во время второй мировой войны, когда шноркели подводных лодок покрывались слоем графитона-полненной полупроводящей бумагой.
Для примера ситуации сферы, выполненной из диэлектрика, рассмотрим ситуацию, аналогичную рис. 5, только в этот раз в качестве материала изготовления выступает стекло,
£ = 4.3. По полученным результатам ЭПР составила 0.000182 м2 (рис. 7).
Bstatc Scattering RCS Abs [Phi=90J
90 -- Phi=2
60/ /'"'', \бО
■Й5С-05 Xo-ODOIS j90
120\ V \ .'/ /120
iso^-^i;
-far'c': (f= 10] [pv;]
Tbeta ! fegre? vs. mA2
Frequency -10 GHz Mail hf№ magniLude = C.OOOie? тл2 Mah bbe director - ISO.ft deg. Angular VJidtfi dB) - 186.5 deg.
Рис. 7. Моностатическая ЭПР стеклянного шара
Таким образом, по полученным результатам можно сделать вывод, что тело, выполненное из диэлектрика, обладает меньшим ЭПР, так в рассмотренной ситуации это значение уменьшилось в 1.41 раза.
Исследование эффективной площади рассеяния цилиндра
Рассмотрим малый металлический цилиндр с радиусами оснований 10 мм и общей высотой цилиндра 20 мм. Моделирование будем производить на частоте 10 ГГц, при этом плоская волна будет приходить непосредственно на боковую поверхность цилиндра, и формула для расчета ЭПР в данном случае является объемной и сложной [2], поэтому значительно целесообразнее прибегнуть к методам моделирования (рис. 8).
Рис. 8. Рассматриваемый случай для моделирования ЭПР цилиндра
По полученной картине моностатической ЭПР (рис. 9) видно, что максимальное значение ЭПР составило 0.00319 м2.
Рис. 9. Моностатическая ЭПР цилиндра
Однако, в отличие от сферы, у цилиндра требуется рассматривать еще одну проекцию построения ЭПР, так как у него имеются две горизонтальные плоскости сверху и снизу, в данном случае полученная ЭПР также соответствует характеристикам плоского металлического диска (рис. 10).
Как видно по полученным результатам, максимальное значение моностатической ЭПР у цилиндра наблюдается при падении волны ровно на грань.
Заключение
Для выполнения исследования эффективной площади рассеяния очень выгодно использовать специализированное программное обеспечение, так как оно позволяет учитывать все геометрические особенности объекта, рассчитывать повторные отражения, а также производить обработку полученных результатов.
Особо ценным компонентом является картина моностатической и бистатической ЭПР, по которым можно определить зоны повышенного отражения исследуемого объекта.
Литература
1. Павельев В.А., Хаминов Д.В. Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового диапазона природными и антропогенными объектами. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 277 с.
2. Rajyalakshmi P., Raju G.S.N. Characteristics of Radar Cross Section with Différent Objects // International Journal of Electronics and Communication Engineering. 2011. Vol. 4. No 2. Pp. 205-216.
Рис. 10. Моностатическая ЭПР при падении волны на верхнюю грань
Поступила 15.07.2020; принята к публикации 23.10.2020 Информация об авторах
Антипов Сергей Анатольевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры физики, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)246-27-00, e-mail: [email protected] Володько Александр Владиславович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)221-00-69, e-mail: [email protected]
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Кострова Вера Николаевна - д-р техн. наук, профессор кафедры систем информационной безопасности, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-04, e-mail: [email protected]
Разинкин Константин Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры систем автоматизированного проектирования и информационных систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)221-00-69, e-mail: [email protected]
STUDY OF THE RADAR CROSS SECTION OF SIMPLE BODIES
S.A. Antipov1, A.V. Volod'ko1,2, E.A. Ishchenko1, V.N. Kostrova1, K.A. Razinkin1, S.M. Fyedorov1,2
1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technology, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the figures of the monostatic effective scattering area for simple geometric bodies. For a simple metal plate, a theoretical calculation of the RCS value was carried out, as well as modeling using the Vayland method, the results of which proved the accuracy and efficiency of modeling in specialized software. To determine the effective area of dispersion of the ball, three cases were considered when the dimensions of the ball exceed the wavelength; the dimensions are small, and a conductor is selected as the material of manufacture; while maintaining the dimensions, the material of manufacture is replaced by glass. Based on the results obtained, conclusions are drawn about the importance of comparing the wavelength with the geometric dimensions of the body, as well as the positive effect of dielectric materials on the value of the RCS. In the study of the cylinder, two cases were considered that can arise when studying the RCS of a cylindrical object, namely, when the wave falls on the side surface of the body and on the upper face. It was shown that the worst values of the effective scattering area are observed when a plane wave is incident on the upper, ideally flat, faces of the cylinder. The results are presented in the form of monostatic RCS patterns, maximum values of the effective scattering area
Key words: radar cross section, monostatic RCS
References
1. Pavel'ev V.A. Khaminov D.V. "Scattering of millimeter-wave electromagnetic waves by natural and man-made objects" ("Rasseyanie elektromagnitnykh voln millimetrovogo diapazona prirodnymi i antropogennymi ob"ektami"), Moscow, Bauman MSTU, 2009, 267 p.
2. Rajyalakshmi P., Raju G.S.N. "Characteristics of radar cross section with different objects", International Journal of Electronics and Communication Engineering, 2011, vol. 4, no. 2, pp. 205-216.
Submitted 15.07.2020; revised 23.10.2020
Information about the authors
Sergey A. Antipov, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Aleksandr V. Volod'ko, Cand. Sc. (Technial), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia); International Institute of Computer Technology (29 b Solnechnaya st., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)221-00-69, e-mail: [email protected]
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Vera N. Kostrova, Dr. Sc. (Technial), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Konstantin A. Razirkin, Dr. Sc. (Technial), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technial), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia); International Institute of Computer Technology (29 b Solnechnaya st., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)221-00-69, e-mail: [email protected]
