Радиолокация
Радиолокация - область науки и техники, предмет которой - наблюдение
различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение,
распознавание, определение их координат и скорости и др.
Различают активную и пассивную радиолокации. При активной радиолокации
объект облучается радиоволнами, посылаемыми РЛС, в результате чего
возникают сигналы от объекта. Активная радиолокация, в свою очередь,
подразделяется на радиолокацию с пассивным и активным ответами.
При радиолокации с пассивным ответом обнаружение производят по
сигналу, отраженному от объекта после облучения его электромагнитными
волнами. В этом случае сигнал, излучаемый РЛС, называют зондирующим, а
сигнал, приходящий от цели, - отраженным или эхо-сигналом. Значение
отраженного сигнала зависит от отражающих свойств объекта.
При радиолокации с активным ответом обнаружение производят по
сигналу, ретранслированному объектом. При этом прямой сигнал называют
запросным, а сигнал приходящий от цели, - ответным. Ретрансляционную
аппаратуру, находящуюся на объекте, именуют ответчиком. Интенсивность
ответного сигнала зависит от мощности установленного на объекте
ретрансляционного передатчика. Дальность действия этих РЛС намного больше
дальности действия РЛС с пассивным ответом. Однако такие РЛС могут
работать только со «своими» объектами. Их в основном используют для
сопровождения ракет и других объектов, обладающих слабыми отражающими
свойствами, а также для опознавания «своих» объектов.
Пассивная радиолокация основана на приёме собственного радиоизлучения
объектов. РЛС с пассивной радиолокацией не имеет передатчика. Она имеет
лишь направленную приёмную антенну, улавливающую излучения объекта,
приёмник, усиливающий принятые радиосигналы, и устройства, с помощью
которых происходят регистрация и анализ этих сигналов. Такие РЛС используют
для исследования явлений, происходящих в космическом пространстве
(радиотелескопы), а также для определения местоположения кораблей и
самолетов по радиомаякам (радиопеленгация).
Основной является активная радиолокация, которая в дальнейшем
именуется просто радиолокацией. В радиолокации применяют РЛС с непрерывным
и импульсным излучением энергии.
Еще А.С. Попов заметил, что радиоволны имеют способность отражаться.
На этом и основан принцип действия радиолокационной станции. Мощный луч
радиолокационного передатчикам фокусируется большой антенной в направлении
исследуемого объекта, фиксируется и изучается отраженный радиосигнал, на
основе чего делаются выводы о тех или иных характеристиках объекта. Первые
работы по созданию радиолокационных систем начались в нашей стране в
середине 30-х годов. Впервые идею радиолокации высказал научный сотрудник
Ленинградского электрофизического института (ЛЭФИ) П.К. Ощепков еще в 1932
году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения.
16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте
(ЛФТИ) под председательством академика А. Ф. Иоффе состоялось совещание, на
котором представители ПВО РККА поставили задачу обнаружения самолетов на
высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных
условиях. За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. Уже
летом 1934 года группа энтузиастов, среди которых были Б. К. Шембель, В.В.
Цимбалин и П. К. Ощепков, представила членам правительства опытную
установку. Проект получил необходимое финансирование и в 1938 году был
испытан макет импульсного радиолокатора, который имел дальность действия до
50 км при высоте цели 1,5 км. Создатели макета Ю. Б. Кобзарев, П. А.
Погорелко и Н. Я. Чернецов в 1941 году за разработку радиолокационной
техники были удостоены Государственной премии СССР. Дальнейшие разработки
были направлены в основном на увеличение дальности действия и повышение
точности определения координат. Станция РУС- 2 принятая летом 1940 года на
вооружение войск ПВО не имела аналогов в мире по своим техническим
характеристикам, она сослужила хорошую службу во время Великой
Отечественной войны при обороне Москвы от налетов вражеской авиации. После
войны перед радиолокационной техникой открылись новые сферы применения во
многих отраслях народного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и
судовождение. Радиолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы
и поверхность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и
обнаруживают скопления грозовых облаков.
Определение координат цели радаром производится с учетом выбранной
системы координат. Выбор той или иной системы координат связан со сферой
применения радиолокационной установки. Например, наземная радиолокационная
станция (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой измеряет три координаты
цели: азимут, угол места и наклонную дальность (полярная система
координат).
Рис.1. Система координат обзорной РЛС
( - угол места, ( - угол азимута, R – наклонная дальность
Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирования)
пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС по строго
определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор.
Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время
быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения
антенна все время направлена на выбранную цель, и специальные следящие
системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.
Удаленность того или иного объекта определяется по запаздыванию
отраженного сигнала относительно излучаемого. Запаздывание сигнала очень
мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью, близкой к
скорости света (300 000 км/с). Действительно, для самолета, находящегося на
расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание сигнала составит всего 20 мкс. Такой
результат, получается, из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих
направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное
волной, составит 6 км. Однако при радиолокации Марса, успешно проведенной в
начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время
малым назвать нельзя. Современная вычислительная техника способна с высокой
точностью обрабатывать сигналы с ничтожным временем запаздывания, поэтому
с помощью радаров можно регистрировать объекты, расположенные как на
больших, так и на малых расстояниях от наблюдателя. Существует единственное
существенное ограничение применения радаров в целях сверхдальних наблюдений
- это ослабление сигнала. Если сигнал проходит большое расстояние, то он
частично рассеивается, искажается и ослабевает и выделить его в приемнике
из собственных шумов приемника и шумов иного происхождения зачастую крайне
затруднительно. Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается
расчету, который основан на простых физических соображениях. Если в какой -
то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку,
находящуюся на расстоянии R , будет пропорционален Р/4(R2. В знаменателе
стоит площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при
обычной радиосвязи мощность, принятая антенной, обратно пропорциональна
квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимости пучка
энергии - выполняется всегда при распространении волн в свободном
пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощность в узкий луч и
поток энергии возрастет в несколько раз, (этот коэффициент называется
коэффициентом направленного действия антенны, КНД), квадратичная
зависимость от расстояния сохранится. Но в радиолокации радиосигнал
преодолевает двойные расстояния, а сама облучаемая цель рассеивает энергию
по всем направлениям, и если облучающий цель поток энергии ослабевает
обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще
ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4.
Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в два раза при
прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз.
Столь высокой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС.
В РЛС с фазовым методом измерения дальности, характерно непрерывное
зондирующее излучение. В этом случае о расстоянии до объекта судят по
изменению фазы сигнала генератора масштабной частоты (ГМЧ) за время
распространения электромагнитных волн до объекта и обратно. В фазометре (Ф)
рис.2 сравниваются две волны: прямая, поступающая непосредственно от ГМЧ,
и отраженная, поступающая с выхода приемника (Пр) после отражения от
объекта. Эти радиоволны имеют различные фазы.
Рис.2 Структурная схема фазового метода измерения дальности
Пусть напряжение, вырабатываемое ГМЧ, изменяется по закону
Umax=Um*sin((t+(0),
Где (0 – начальная фаза; ( - масштабная частота ГМЧ. Этим напряжением
модулируются колебания генератора высокой частоты (ГВЧ), которые
излучаются в пространство. Тогда напряжение отраженного сигнала на выходе
приемника (Пр)
Uотр= Um отр* sin[((t - t0)+(0] = Um отр* sin((t - (t0+(0), где
(t0 – сдвиг фаз между прямым и отраженным сигналами.
В этой формуле не учитываются запаздывание фазы сигнала в цепях РЛС и
сдвиг фаз, возникающий при отражении от объекта. Эти параметры постоянны и
могут быть получены экспериментальным путем. Поскольку t0 = 2D/c, то
( = (2D/c = 4(fD/(.
Из этой формулы следует, что сдвиг фаз между прямым и отраженным
сигналами зависит от дальности до объекта и частоты колебаний, генерируемых
ГМЧ. Поскольку частота колебаний постоянна, по сдвигу фаз можно определить
дальность до объекта.
Наибольшее распространение получил импульсный способ определения
дальности. Работой импульсного локатора управляет генератор импульсов (ГИ),
следующих с относительно невысокой частотой повторения - порядка сотен
импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на генератор высокой частоты
(ГВЧ), вырабатывающий очень мощные короткие импульсы высокочастотных (ВЧ)
колебаний. Через антенный переключатель (АП) ВЧ импульс поступает в
антенну и излучается. После излучения импульса антенна подключается к входу
приемника (Пр.).
Рис.3. Структурная схема импульсной РЛС
Одновременно с излучением импульса запускается генератор развертки
(ГР.), вырабатывающий линейно нарастающее пилообразное напряжение. Оно
поступает на пластины горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки,
экран которой и является экраном РЛС.
Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается на
пластины вертикального отклонения. Что же можно наблюдать на экране? Прежде
всего, в самом начале линии развертки появится мощный импульс сигнала ВЧ
генератора, который служит началом шкалы дальности. Спустя некоторое время,
нужное для распространения волн, придут сигналы от целей. Луч к этому
времени переместится правее. Чем дальше цель, тем дальше от начала
развертки окажутся отраженные импульсы. А их амплитуда будет
соответствовать интенсивности отраженного сигнала. По ней в какой - то мере
можно судить о величине цели. Определять дальность на экране импульсного
локатора достаточно просто: под линией развертки можно расположить шкалу.
Но, поскольку такой способ уж очень несерьезен, в схему локатора ввели
масштабные генераторы меток. Шкалу дальности стал рисовать электронный луч
параллельно со своим основным назначением - индикацией целей. Генератор
развертки совершенствовался, например, достигнута возможность «растянуть»
по горизонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть
отраженные сигналы в заданном интервале дальностей. У описанного
индикатора (он получил название «индикатор типа «А») есть существенный
недостаток: он дает только дальность, а направление на цель надо определять
по шкалам поворотного устройства антенны. Поэтому очень скоро был
разработан другой индикатор (тип В), используемый в РЛС кругового обзора.
Антенна этой станции вращается вокруг вертикальной оси, «просматривая» все
азимутальные направления от 0 до 360 градусов. Структурная схема РЛС и
порядок работы остаются прежними, но индикатор кругового обзора (ИКО)
выполнен совсем по-другому. Пилообразное напряжение развертки подается на
специальный кольцевой отклоняющий электрод, и линия развертки проходит по
радиусу - от центра к краю экрана. Она поворачивается синхронно с антенной.
Для поворота линии развертки на обычные отклоняющие пластины X и Y подают
синусоидальные переменные напряжения в квадратуре, т.е. на одну пару
пластин - косинусоидальное напряжение, а на другую синусоидальное. Частоты
этих напряжений равны частоте вращения антенны и составляют доли герца. Луч
при этом описывал бы круги на экране, но, поскольку имеется еще напряжение
радиальной развертки на кольцевом электроде, изменяющееся значительно
быстрее с частотой повторения излучаемых импульсов, луч чертит линию
развертки, вращающуюся вместе с вращением антенны.
Сигнал с выхода приемника подается на управляющий электрод (сетку) ЭЛТ
и заставляет луч увеличивать яркость при наличии отраженных импульсов.
Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную карту местности.
Место расположения самой РЛС соответствует центру экрана. Локатор кругового
обзора хорошо подходит для морской навигации, дальнего обнаружения
воздушных целей, диспетчерского контроля в аэропортах. Теперь все чаще
переходят к секторному обзору, при котором антенна «осматривает» не весь
горизонт, а только нужную его часть. Большие наземные РЛС снабжают
индикаторами нескольких типов: кругового обзора для обнаружения целей и
контроля обстановки, типа А для точного определения дальности и т.д. Если,
например, диаграмма направленности антенны может «качаться» еще и по углу
места (для этого обычно не наклоняют всю антенну, достаточно «качать» ее
облучатель), то применяют в дополнение к ИКО индикатор «дальность -
высота». В нем луч развертывается по радиусу и «качается» в некотором
секторе синхронно с антенной, а координаты выбраны прямоугольными. Такой
индикатор наглядно покажет и высоту цели.
Технические характеристики РЛС во многом зависят от конструкции приемо
- передающей антенны. Энергию волн из волновода в открытое пространство
можно передать посредством рупорной антенны. Хорошая рупорная антенна
должна быть длинной , поскольку любые неоднородности в волноводе приводят к
отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как раз
и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно
плавным. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности, поле в
раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля
электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить
одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна
проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают
относительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти, или
даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для
уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными. Это
не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны ,
а рупор используют в качестве облучателя зеркала . Чем больше размеры
антенны , тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы
направленности ( связана с размером антенны формулой (=(/D , где угол
( выражается в радианах.
Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что
радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху
«гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все
больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах.
Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные
передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы
не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них
происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической
опасности высококонцентрированного излучения РЛС : у людей проживающих
вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные
лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность
потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно
допускается до 10 мВт/см2).
Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно
новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на
современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал,
закодированный по весьма сложному алгоритму ( наиболее распространен код
Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд
дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и
вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На
их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные
посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала
возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные
комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения.
Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго
будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом
серьезных научных работ и изысканий.
Развитие современной науки и техники невозможно представить себе без
применения радиолокации, которая используется и в исследовании космоса, и в
навигации воздушных и морских судов, и в военной технике ( для обнаружения
цели и наведения ракет на цель).
Список используемой литературы:
1. Основы радиолокации и телевидения. А.А.Немец, В.И.Федотов, Москва,
Высшая школа, 1984г.
2. Радиолокация без формул. М.К.Размахнин, Москва, Советское радио,1971г.
-----------------------
(
(
объект
R
Радиолокатор
Полярная ось
ГВЧ
АП
ГИ
ЭЛТ
ГР
Пр
ГМЧ
Фазометр
Приемник
ГВЧ
Объект
