3.3. Объемно-распределенные помехи

1. Помехи от метеообразований. Ослабление радиолокационных сигналов при прохождении их через облака, дождь, снег, град, туман становится ощутимым, когда несущая частота превышает 1,3 ГГц [52, 53]. Кроме того, из-за отражения от метеообразований возникают помеховые сигналы с широким доплеровским спектром, что затрудняет выделение сигналов полезных целей на фоне этих мешающих отражений.

Механизм формирования доплеровского спектра отражений от метеообразований определяется следующими не зависимыми друг от друга факторами:

различные скорости ветра на различных высотах при водят к распределению радиальных скоростей частиц по вертикальному разрезу луча ДНА (градиент ветра с дисперсией σ²_град);

конечная ширина луча ДНА является причиной рас ширения спектра отраженного сигнала в том случае, когда луч направлен поперек направления ветра (с дисперсией σ²_дна);

влияние турбулентности атмосферы приводит к колебаниям скорости ветра относительно ее среднего значения (с дисперсией σ²_турб);

неоднородность скорости падения отражающих частиц (капель дождя, снежинок) также приводит к различию радиальных составляющих скорости (с дисперсией σ²_пад).

Существует еще один фактор, в значительной степени определяющий ширину спектра пассивной помехи, - вращение антенны или перемещение луча антенны РЛС СДЦ, но он не зависит от характеристик метеообразований.

Учитывая, что все перечисленные факторы, определяющие доплеровский спектр отражений от метеообразований, независимы, выражение для его дисперсии σ²_{осад Σ} может быть представлено следующим образом:

Рассмотрим подробно влияние каждого слагаемого. Как показано в [52, 53], для значений углов места в несколько градусов разность радиальных скоростей в точках на уровне 0,5 мощности ДНА составляет Δυ_r ≅ |υ_r1 - υ_r2|.

При постоянном в пределах луча градиенте скорости ветра для гауссовской ДНА среднеквадратическое отклонение скоростей определяется формулой

где К - градиент скорости в направлении луча, м/с ⋅ км; R - наклонная дальность помехи; φ_α - ширина луча ДНА по половинной мощности в азимутальной плоскости.

Для расчетов принимается К = 5,7 м/с ⋅ км, которое дает особенно хорошие результаты для слоев атмосферы высотой от 0,5 до 2 км. Для произвольного азимута более пригодно значение К = 4,0 м/с ⋅ км.

Из соотношения (3.38) может показаться, что ширина спектра с ростом R увеличивается бесконечно. Однако на практике установлено, что σ_град ограничивается 6 м/с для ДНА шириной не более 2,5°.

Рассмотрим теперь влияние на спектр отражений турбулентности атмосферы. Известно, что для каждой высоты существует какое-то среднее значение скорости ветра, которое имеет смысл только при указании времени усреднения. Флуктуации относительно такого среднего значения скорости ветра получили название турбулентных. Эксперименты показали, что среднее значение СКО ширины спектра для высот до 3 км составляет примерно σ_турб = 1 м/с с крайними значениями 0,5 и 2,0 м/с. Для больших высот было установлено снижение σ_турб до 0,7 м/с. Время усреднения при этом составляло примерно 1 с.

Расширение спектра помехи может быть связано с разбросом радиальных составляющих скорости ветра, тангенциально пересекающего ДНА. Эти составляющие спектра имеют нулевое среднее значение, а их СКО определяется соотношением

где υ₀ - скорость ветра в центре луча ДНА; ψ - угол между осью луча и направлением ветра. В большинстве случаев σ_дна мала по сравнению с другими составляющими (σ_дна < 0,5 м/с). В общем случае среднеквадратическое отклонение доплеровского спектра помехи, вызванного неодинаковостью скоростей падения капель дождя:

где β - угол места. Отметим, что для снега σ_пад >> 1 м/с независимо от угла места.

Таким образом, разброс скорости ветра и турбулентность атмосферы являются основными факторами, определяющими ширину спектра помех от метеообразований. На небольших дальностях должен преобладать эффект турбулентности, а по мере увеличения дальности с некоторого момента ширина спектра должна увеличиваться линейно из-за влияния градиента ветра. Центр доплеровского спектра помех приблизительно совпадает со значением радиальной составляющей скорости ветра на оси луча ДНА.

2. Помехи от дипольных отражателей. Среди искусственных маскирующих пассивных помех наибольшее распространение получили помехи, создаваемые дипольными противорадиолокационными отражателями. Как правило, они представляют собой полуволновые вибраторы из металлизированных бумажных лент, фольги, стеклянного и синтетического (капронового, нейлонового) волокна. Основными характеристиками дипольных отражателей являются: эффективная поверхность рассеяния, диапазонность, характер и время развертывания облака диполей, спектры сигналов, отражаемых этим облаком, и ширина полосы, маскирующей цель [18, 19, 53].

Эффективная поверхность рассеяния одиночного полуволнового дипольного отражателя S_д определяется следующим соотношением:

где λ - длина волны; θ - угол между осью диполя и направлением электрического вектора Ε электромагнитной волны, облучающей дипольный отражатель.

Максимальная ЭПР диполя равна S_{д max} = 0,856λ².

При расчетах ЭПР облака диполей обычно предполагают равновероятной любую пространственную ориентацию отдельно взятого диполя и учитывают среднее значение его ЭПР S ¯_д = 0,172λ².

Для определения ЭПР облака диполей используют выражение S ¯_Σ = 0,172λ²Nη, где N - число диполей в облаке; η - коэффициент разлета (η < 1).

Обычно длина диполя выбирается несколько меньшей, чем половина длины волны подавляемой станции. При этом степень их укорочения зависит от поперечных размеров диполя. Степень укорочения диполя определяется коэффициентом формы A, который для цилиндрических диполей A = l/d, а для прямоугольных А = 4l/W, где d - диаметр диполя; l - длина диполя; W - ширина диполя.

На рис. 3.8 приведена зависимость коэффициента формы от отношения длины диполя к длине волны.

Рис. 3.8

Наибольшее значение ЭПР диполь имеет в том случае, когда его резонансная частота совпадает с несущей частотой подавляемой РЛС. По мере увеличения несущей частоты РЛС при значениях, кратных резонансной частоте, ЭПР диполя вновь увеличивается. На рис. 3.9 показана зависимость нормированного значения ЭПР S/S_p (где S_р - ЭПР диполя на резонансной частоте f_р) от относительного изменения несущей частоты f/f_р для двух значений коэффициента формы А = 200 и 2000. Эти зависимости получены для случайно ориентированных в пространстве диполей [59].

Рис. 3.9

Недостатком дипольных отражателей как средства радиопротиводействия является их относительно малая диапазонность. Чтобы сделать облако дипольных отражателей более широкодиапазонным, разбрасываются диполи разной длины. На рис. 3.10 приведена зависимость ЭПР облака отражателей, состоящей из диполей, резонирующих на частотах 6,0; 8,0; и 10,0 ГГц [59]. При расчетах предполагалось, что S_Σ = 0,17Nλ² для каждого вида диполей.

Рис. 3.10

Основные характеристики трех видов дипольных отражателей приведены в табл. 3.7 [59]. Большинство синтетических волокон с серебряным покрытием и стекловолокно с покрытием из алюминия изготавливаются с диаметром, который указан в таблице для каждого типа. За исключением скорости снижения, изменение диаметра незначительно влияет на свойства этих диполей. Разница в размерах влияет на характер движения и, следовательно, на отражающие свойства диполей. Ниже описываются компоновка и основные характеристики каждого вида диполей.

Таблица 3.7

Диполь из посеребренного нейлона представляет собой нейлоновое волокно, покрытое тонким слоем (0,5-1,0 мк) серебра. Обычно такие диполи снижаются горизонтально с легким колебательным движением. Большие диполи (∼ 50 мм) совершают преимущественно зигзагообразное движение. При таком полете облако пассивных помех хорошо отражает горизонтально-поляризованную электромагнитную волну и значительно слабее - вертикально-поляризованную. В первые несколько секунд после выбрасывания этот поляризационный эффект незначителен вследствие турбулентности, вызванной системой выстреливания или средствами доставки (самолетом или ракетой). Диполи из нейлона имеют два основных недостатка: высокую стоимость и невозможность производства волокна с диаметрами меньше 90 мк.

Диполи из алюминиевой фольги изготавливаются с помощью аппаратуры, способной "нарезать" дипольные отражатели из ленты алюминиевой фольги. Поперечные размеры их зависят от толщины фольги. Как правило, толщина фольги равна 12,7 или 25 мк. Ширина диполей устанавливается 50, 100 или 200 мк. Диполи с поперечными размерами 100×25 мк называются диполями 4×1, с раз мерами 50×25 мк - диполями 2×1 и т. д. Характер полета диполей достаточно сложный, но можно выделить несколько преобладающих видов движения.

Для диполей 4×1 основным является движение, напоминающее вращение винта вертолета. Диполи опускаются с быстрым вращением в горизонтальной плоскости. Также как и диполи из посеребренного нейлона, они дают более интенсивный отраженный сигнал при облучении их электромагнитной волной с горизонтальной поляризацией. Меньшая часть (менее 5 %) диполей 4×1. снижается с относительно большой скоростью (до 1 м/с) и совершает движение по спирали, напоминая движение сухих листьев.

Для диполей 2×1 характерно движение по спирали. Они обычно снижаются с углом наклона 15-60° к горизонтальной плоскости. Вследствие появления большой вертикальной составляющей в движении диполи 2×1 находят широкое применение там, где от облака пассивных помех требуется высокая степень отражения сигнала для любых видов поляризации.

Характерными особенностями алюминиевых диполей с поперечными размерами 8×0,5 (200×12 мк) является их V образная форма. Диполи сгибают пополам по ширине (200 мк) и по длине. Перегибание осуществляется в процессе нарезки. Такие диполи становятся более жесткими, чем диполи 4×1 и 2×1. Диполи 8×0,5 используются на низких частотах.

Диполи из металлизированного стекловолокна имеют наименьшую скорость снижения. Полет происходит преимущественно горизонтально, так как диполи имеют цилиндрическую форму. Вследствие того что их поверхность является столь же гладкой, как у по серебренного нейлона, сигнал с вертикальной поляризацией отражается более интенсивно, чем от диполей из посеребренного нейлона, но не в такой степени, как от алюминиевых диполей 2×1.

Методы постановки пассивных помех зависят от средств доставки отражающих диполей. Самолетные автоматы-разбрасыватели (диспенсеры) могут быть использованы при формировании коридора для прикрытия других самолетов либо для самоприкрытия. Разбрасывание отражателей с постоянной скоростью в течение продолжи тельного периода времени используется для формирования коридора, который маскирует другие самолеты. Это обычно обеспечивается с помощью диспенсеров с упаковками диполей, находящихся между синтетическими прокладками, или с магазином, напоминающим патронташ, в капсулах которого упакованы отражатели. В магазине такого диспенсера может быть упаковано до 25 кг отражателей. Вид отражателей и выбор длины диполей должны изменяться в соответствии с имеющейся тактической ситуацией. Диспенсеры самоприкрытия представляют собой устройства с быстрой реакцией на угрозу, которые выстреливают относительно небольшое количество пассивных отражателей. Это обычно обеспечивается использованием соответствующих пиропатронов, в которых работа взрывателя запрограммирована. Заряд обычно содержит 100-150 г пассивных отражателей. В один модуль входит до 30 зарядов, на само лете размещается как минимум два таких модуля.

Для защиты кораблей дипольные облака обычно формируют с помощью ракет, снарядов или гранат. Морские ракеты могут нести до 7 кг дипольных отражателей, а несколько гранат, выпущенных одновременно, содержат до 3 кг диполей. Существует три основных метода использования пассивных помех на море. Радиолокационные отвлекающие ловушки (ложные цели) выводятся с помощью ракет и снарядов на расстояние до 2 км от корабля. Выведенные несколькими ракетами в различных направлениях они формируют несколько целей. Ложные цели могут существовать в течение нескольких минут, и, если угроза кораблям будет сохраняться, необходимо периодически выстреливать новые ложные цели (ловушки). Второй метод известен как метод перенацеливания (увода) и применяется для прикрытия корабля (на расстоянии менее чем 1 км), когда активное противодействие используется для того, чтобы исказить информацию о дальности в радиолокационной головке самонаведения, и действует совместно с облаком пассивных помех, поставленных с помощью ракеты, для перенацеливания приближающейся ракеты с корабля на облако помех. И, наконец, последний метод используется для прикрытия корабля, когда облако диполей формируется на расстоянии от 100 до 400 м от него. Большая отражающая поверхность должна быть сформирована в течение нескольких секунд после выстреливания, и дипольные отражатели должны появиться в требуемых точках около корабля. Затем корабль должен быстро покинуть область постановки дипольных облаков.

Существенное повышение эффективности пассивных помех может быть достигнуто при высоте постановки облака диполей до 200 м над уровнем моря, когда за счет отражения радиоволн от поверхности моря ЭПР облака дипольных отражателей значительно увеличивается благодаря его близости к поверхности моря.

Характеристики изменения ЭПР для горизонтальной (штриховая линия) и вертикальной (сплошная линия) поляризации в течение определенного отрезка времени для диполей 2×1 из алюминиевой фольги и металлизированного стекловолокна приведены на рис. 3.11 [59].

Рис. 3.11

Как и в случае отражений от метеообразований, ширину доплеровского спектра отражений организованных пассивных помех определяют градиент ветра, его тангенциальная составляющая, турбулентность и неравномерность скоростей снижения диполей. Анализ экспериментальных данных показал, что для σ_турб наиболее вероятными являются значения от 0,6 до 1,3 м/с [52, 53|.

При оценке влияния на ширину доплеровского спектра неравномерности скоростей падения пассивных помех необходимо учитывать, что диполи опускаются более медленно, чем большие капли дождя. Для проведения расчетов в [52, 53] рекомендуется брать значения σ_над ≤ 0,45 м/с. Анализ экспериментальных данных говорит об идентичности доплеровских спектров пассивных помех и метеообразований (особенно дождя).