Приложение

К решению ТК СППС и ТК ВФПС №9 от 15.12.2009

Анализ эффективности радиолокационных отражателей

 

В связи с аварией яхты «Боян» 05 августа 2008 г, а также рядом других инцидентов, Технический комитет провел исследование эффективности различных типов радиолокационных отражателей. Была проведены расчеты (выполнил инженер - локаторщик Андрей Решетов) отражающей способности, и выполнено сравнение с результатами экспериментальных исследований, проведенных американскими независимыми исследователями в 1994-1995 г.г.[2], и британской правительственной комиссией по расследованию инцидентов на море (MAIB) в 2006 - 2007 г.г. [3].

 

Введение

Морские РЛС могут работать в 2-х диапазонах частот: X-диапазон – 9,4 ГГц (длина волны 3,2 см), и S-диапазон – 3 ГГц (10 см). Х-диапазон дает большее разрешение и обеспечивает большую  вероятность малых целей, но более чувствителен к помехам (дождь, туман, отражение от волн). S-диапазон обеспечивает бОльшую дальность действия и менее чувствителен к помехам, но малые цели в этом диапазоне видны значительно хуже.

Как правило, все суда используют локаторы в Х-диапазоне (3,2 см), и переходят на S-диапазон в условиях очень плохой видимости. В современных локаторах подавление шумов обеспечивается программными способами, и такие локаторы могут использоваться в Х-диапазоне практически постоянно.

Эффективность радиолокационных отражателей оценивают величиной так называемой эффективной отражающей поверхности (RCS,) измеряемой в м².

Отражающая способность любой поверхности пропорциональна 4-й степени ее линейного размера и обратно пропорциональна квадрату длины волны. Это значит, что при увеличении размеров отражателя в 2 раза его эффективность должна возрастать в 16 раз, а при увеличении длины волны в 3 раза (при переходе с Х-диапазона на S-диапазон) – уменьшаться в 10 раз. Но если размер отражателя меньше длины волны локатора, то отражатель перестает быть отражателем, и работает просто как кусок железа.

Опросы моряков и эксперименты говорят, что для того, чтобы цель была обнаружена на волне ок 4 баллов (ок 1,5 м) при нормальной видимости, ее средняя эффективная отражающая поверхность должна быть в пределах 1-3 м, при этом не должно быть значительных «провалов» отражающей способности по каким-либо направлениям. Обычно принимают за норму в Х-диапазоне RCN_Хср =2,5 м, а в S-диапазоне RCN_Sср =1,0 м, с допустимой шириной «мертвых» секторов не более 5 градусов [2],. 

Стандарт ISO 8729 [1], требует, чтобы

-                   Максимальная  эффективная отражающая поверхность при нулевом угле возвышения (вертикальный угол между горизонтом и лучом от локатора к отражателю) была не менее 10 м²

-                   В секторах суммарной шириной не менее 240 градусов была обеспечена эффективная отражающая поверхность площадью не менее 2,5 м² при нулевом угле возвышения, и 0,625 м² – при углах возвышения до 15 градусов.

Испытанные отражатели и их характеристики

На рис. 1 – 12 показаны испытанные типы отражателей.

Октаэдральные отражатели (рис. 1-2)

1. Davis Echomaster  2. HYE, Plastimo 16”

Тригедральные отражатели (рис. 3-7)

3. Firdell Blipper (model 210-5, model 210-7)

4. Mobri, Plastimo

5. High Gain Rotation

6. Cyclops 1

7. Ehomax 230

Прочие отражатели (рис. 8-12)

8. Lensref                               9. Radar Flag                         10. Tri-Lens Large

 

11. Sea-me - активный отражатель для Х-диапазона                  12. Polarref 11  – прецизионный отражатель, предназначеный для калибровки радаров

 

Рис. 13 Положение октаэдральных отражателей: вертикальное, наклонное 45⁰ (double catch-rain ) и развернутое (catch-rain )

Результаты испытаний

Результаты, полученные американскими исследователями, приведены в табл. 1

Таблица 1

				X-диапазон (длина волны 3,2 см)			S-диапазон (длина волны 10 см)
Отражатель (производитель, марка)	Размеры, мм	Характ. размер линзы R”	Положе-ние	Относ. ширина сектора, в кот. RSC >2.5 м2	Усл. отраж. пов-ть RCS(м2)	Сумм. ширина мертвых зон Gap, град.	Относ. ширина сектора, в кот. RSC >1.0m2	Усл. отраж. пов-ть RCS(м2)	Сумм. ширина мертвых зон Gap, град.
Davis Echo Master	D=320	6,25”	вертик., крен=00	**63%	7,00	17	57%	1,71	21
Davis Echo Master	D=320	6,25”	DCR, Крен=00	48%	5,05	31	13%	0,90	78
Davis Echo Master	D=320	6,25”	DCR, Крен=200	43%	4,54	36	19%	1,02	78
Lensref	D=200	4”	Крен=00	30%	2,37	103	0%	0,44	---
Davis Echo Master	D=320	6,25”	СR, Крен=00	26%	2,00	54	0%	0,49	---
Davis Echo Master	D=320	6,25”	вертик., крен=100	**19%	3,81	85	11%	0,89	142
Davis Echo Master	D=320	6,25”	вертик., крен=200	**13%	3,52	85	20%	1,03	79
Firdell Blipper 210-7	D240x700	4”	Крен=00	11%	1,66	43	26%	0,74	66
Radar Flag			Растянут Крен=00	9%	3,89	157	11%	3,38	149
Firdell Blipper 210-5	D240x500	4”	Крен=00	7%	1,39	96	8%	0,49	185
Firdell Blipper 210-5	D240x500	4”	Крен=200	6%	1,22	175	2%	0,36	292
Davis Emergency	D=290	5,7”	C.R., Крен=00	2%	1,25	117	0%	0,30	---
Lensref	D=200	4”	Крен=200	0%	1,32	---	0%	0,18	---
Mobri (4”)	D100x600	2”	Крен=00	**0%	1,08	---	0%	0,46	---
Cyclops #1	330x270x180	5,7”	Крен=00	0%	0,57	---	0%	0,22	---
Cyclops #1	330x270x180		Крен=200	0%	0,52	---	0%	0,24	---
HYE	240x240x240	4,7”	C.R., Крен=00	0%	0,47	---	0%	0,12	---
High Gain Rotation	D=200	4”	C.R., Крен=200	0%	0,42	---	0%	0,27	---
Radar Flag			Висящий Крен=00	0%	0,40	---	6%	0,38	169,00
High Gain Rotation	D=200	4”	Крен=00	0%	0,38	---	0%	0,22	---
Mobri (4”)	D100x600	2”	Крен=200	**0%	0,37	---	0%	0,17	---
Mobri (2”)	D50x500	1”	Крен=00	**0%	0,22	---	0%	0,16	---
Mobri (2”)	D50x500	1”	Крен=100	**0%	0,07	---	0%	0,04	---

Примечания:

** Высокая чувствительность к крену и ориентации отражателя

D – диаметр (сторона) отражателя

Положение отражателя:         C.R. = catch rain (повернутое, воронкой вверх), см. рис. 12

                                               D.C.R. = double catch rain – наклонное 45⁰ см рис. 12

В табл. 1 отражатели отсортированы по величине сектора, в котором обеспечена эффективная отражающая поверхность более 2,5 м². Из таблицы видно, что только октаэдральные отражатели диаметром более 300 мм имеют суммарную ширину секторов, в которой RCS>2,5, приближающуюся к 50%, и среднюю RCS более 2,5 м. Отражатель Lensref имеет удовлетворительную RSC в секторе только 30%, и его эффективность падает до 0 при крене. Прочие отражатели имеют RSC существенно ниже 2 м², и на крене практически не видны.

Следует обратить внимание, что мачта высотой 10 м имеет RCSмакс около 0, 7 м, но только при нулевом угле возвышения. При других углах отражающая поверхность мачты близка к нулю.

 

Второе исследование проведено британской правительственной комиссией по расследованию инцидентов на море (MAIB) в 2006-2007 г.г. в связи с гибелью яхты Ouzo [2].

Испытанные отражатели приведены в табл. 2

Табл. 2

Отражатель (производитель, марка)	Размеры, мм	Вес, кг	Цена, £
Plastimo 16” Octahedral	300x300x415	0.65	16
Plastimo 4” трубчатый	D100x500	0.9	40
Davis Echomaster	D320		60
Viking Large Tri-Lens	160x160x80	5.5	300
Viking Standard Tri-Lens	120x120x60	2.5	130
Echomax 230	D248x610	2.4	130
Firdell Blipper 210-7	D240x600	1.8	130
Sea-Me	D50x416	0.4	500
Polar Ref 11	D279	5	2000

Отражатели испытывались в Х-диапазоне (3,2 см). Определялись максимальная и средняя RCS, суммарный угол, при котором RSC>2,5 м, и гарантированная минимальная RSCст при которой ширина «мертвых» секторов не превышает 10 градусов. Испытания проводились при углах наклона луча локатора от 0 до 20 градусов. Результаты испытаний приведены на графиках рис.14-16.

Была рассчитана вероятность обнаружения цели локатором, работающим в Х-диапазоне, в зависимости от RCS и расстояния до цели, на волнении высотой 1,5 м (4 балла) при нормальной видимости (отсутствие тумана, дождя и т.д.). Результаты расчета приведены на рис. 17

Рис. 14           Сравнение максимальной эффективной отражающей поверхности (RSCmax)

Рис. 15           Сравнение средней эффективной отражающей поверхности (RSCср)

Рис. 16           Сравнение гарантированной эффективной отражающей поверхности (RSCст)

Рис. 17           Вероятность обнаружения цели в зависимости от RCS и дальности цели.

Результаты исследований.

Проведенные эксперименты и расчеты показали, что активный отражатель (Sea-Me) превосходит все другие по всем параметрам и обеспечивает наиболее эффективное обнаружение цели. Однако его эффективность существенно (в разы) падает с увеличением угла возвышения. Кроме того, активные отражатели могут работать только в одном определенном диапазоне излучения.

Из пассивных отражателей наилучшие характеристики имеют отражатели с линзами Ланеберга (Polar Ref и Tri Lens Large), хотя характеристики последнего снижаются при крене более 15 градусов.

Октаэдральные отражатели при вертикальной их установке имеют очень высокие максимальные показатели, однако характеристики резко падают при увеличении угла возвышения.  Кроме того, эти отражатели имеют большие мертвые зоны. При наклонной установке (положение catch rain или double catch rain) максимальные значения резко снижаются, однако характеристики становятся более стабильными.  В целом их можно считать удовлетворительными при стороне отражателя не менее 320 мм (Plastimo 16”). Размер отражателя 240 мм (Davis Ehomaster) явно недостаточен.

Все тригедральные трубчатые отражатели имеют невысокие и нестабильные характеристики, которые сильно снижаются при увеличении угла возвышения. Трубчатые отражатели диаметром 100 мм и менее имеют гарантированную эффективную отражающую поверхность меньше 0,1 м².

Расчеты вероятности обнаружения цели показывают, что вероятность обнаружения цели при ее RCS более 1 м² превышает 90% на расстоянии 5,5 – 7,5 миль (рис. ).  При уменьшении расстояния до цели из-за влияния помех вероятность обнаружения цели снижается, особенно резко – для малых RCS, и при расстоянии до цели менее 1 мили для RCS=1 м² она падает ниже 20%.

Высота установки отражателя над водой не имеет принципиального значения, при условии, что отражатель не закрывается волной.

 

 

Литература

1.                  ISO standard 8729:1997

2.                  Radar Reflectors © 1995 by Jim Corenman, Chuck Hawley, Dick Honey and Stan Honey.

https://www.ussailing.org/safety/Studies/radar_reflector_test.htm

3.                  Report on the investigation of the loss of the sailing yacht “Ouzo” and her three crew South of the Isle of Wight during the night of 20/21 August 2006. Marine Accident Investigation Branch, Carlton House, Carlton Place, Southampton, United Kingdom, SO15 2DZ. Report No 7/2007April2007. www.MAIB.gov.UK

4.                  Marine guidance note MGN 349 (M+F). Carriage and Use of Radar Reflectors on Small Vessels