Радиолокация: зарождение и развитие

Физика процесса: эффект Доплера, или «умное эхо»

Как и любое направление развития науки и техники, радиолокация базируется на некоторых физических основах, позволяющих обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнаруживать различного рода объекты и определять координаты и параметры их движения с помощью радиоволн.

Использование радиоволн, или, другими словами, электромагнитных колебаний (ЭМК), частотный диапазон которых сосредоточен в пределах от 3 кГц до 300 ГГц, определяет основные преимущества радиолокационных систем (РЛС) перед другими системами локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь, это обусловлено тем, что закономерности распространения радиоволн в однородной среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает работоспособность РЛС.

Основными закономерностями распространения радиоволн, которые позволяют обнаруживать объекты и измерять координаты и параметры их движения, являются следующие:

– постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн в однородной среде (при проведении инженерных расчетов скорость распространения радиоволн принимают равной 3·10–8 м/с;

– способность радиоволн отражаться от различных областей пространства, электрические или магнитные параметры которых отличаются от аналогичных параметров среды распространения;

– изменение частоты принимаемого сигнала по отношению к частоте излученного сигнала при относительном движении источника излучения и приемника радиолокационного сигнала.

Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера, который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волны и наблюдателя относительно друг друга.

Доплеровский метеорологический радиолокатор

В 1848 году эффект Доплера был уточнен французским физиком Арманом Физо, а в 1900 году – экспериментально проверен русским ученым Аристархом Белопольским на лабораторной установке. В этой связи в научно-технической литературе наименование данного эффекта можно встретить под названием «эффект Доплера – Белопольского».

Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС излучает в ее направлении зондирующий сигнал. Данный сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается обратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость распространения радиосигнала в однородной среде постоянная, то для определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излучения зондирующего сигнала t и момент приема отраженного сигнала от цели t₁. В результате разность (t₁– t) позволяет определить время, в течение которого радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, которое равно 2Д, где Д – дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t₁– t) в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как t_д. В результате при известной величине t_д можно составить равенство 2Д = Сt_д, из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна Д = Сt_д/2.

Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаздывания t_д, которое при известной скорости распространения радиоволн позволяет определить дальность до нее.

Большой процент объектов радиолокационного наблюдения составляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, например, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т.д. Основным отличительным признаком таких объектов является скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее, можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиальную скорость движения цели. То есть частота принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изменение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским смещением частоты. Величина данного смещения зависит от скорости взаимного движения носителя РЛС и цели. Необходимо заметить, что рассмотренные свойства радиоволн будут проявляться вне зависимости от условий оптической видимости в зоне радиолокационного наблюдения.

Радиолокация

Подробности: Просмотров: 577

«Физика — 11 класс»

Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией.

Радиолокационная установка — радиолокатор (или радар) — состоит из передающей и приемной частей.
В радиолокации используют электрические колебания сверхвысокой частоты (108 — 1011 Гц).
Мощный генератор СВЧ связан с антенной, которая излучает остронаправленную волну.

В радиолокаторах, работающих на длинах волн порядка 10 см и меньше, такая волна создается антеннами в виде параболических зеркал.
Для волн метрового диапазона антенны имеют вид сложных систем вибраторов.
При этом острая направленность излучения получается вследствие сложения волн.
Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении.
В остальных направлениях происходит полное или частичное их взаимное гашение.

Отраженная волна улавливается либо той же излучающей антенной, либо другой приемной антенной, тоже остронаправленной.
Строгая направленность излучения позволяет говорить о луче радиолокатора.
Направление на объект и определяется как направление луча в момент приема отраженного сигнала.

Для определения расстояния до цели применяют импульсный режим излучения.
Передатчик излучает волны кратковременными импульсами.
Длительность каждого импульса составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами примерно в 1000 раз больше.
Во время пауз принимаются отраженные волны.

Определение расстояния R проводится путем измерения общего времени t прохождения радиоволн до цели и обратно.
Так как скорость радиоволн с = 3 • 108 м/с в атмосфере практически постоянна на всем пути луча, то

Вследствие рассеяния радиоволн до приемника доходит лишь ничтожная часть той энергии, которую излучает передатчик.
Потому приемники радиолокаторов усиливают принятый сигнал в миллионы миллионов раз (1012).
Такой чувствительный приемник, разумеется, должен быть отключен на время посылки импульса передатчиком.

Для фиксации посланного и отраженного сигналов используют электронно-лучевую трубку.
В момент посылки импульса светлая точка, равномерно движущаяся по экрану электронно-лучевой трубки, отклоняется.
На экране появляется всплеск около нулевой отметки шкалы дальности.
Светящееся пятнышко на экране продолжает равномерно двигаться вдоль шкалы и в момент приема слабого отраженного сигнала снова отклоняется.
Расстояние между всплесками на экране пропорционально времени t прохождения сигнала и, следовательно, расстоянию R до цели.
Это позволяет проградуировать шкалу непосредственно в километрах.

Радиолокационные установки обнаруживают корабли и самолеты на расстояниях до нескольких сот километров.
На их работу лишь незначительно влияют условия погоды и время суток.
В больших аэропортах локаторы следят за взлетающими и идущими на посадку самолетами.
Наземная служба передает по радио пилотам необходимые указания и таким образом обеспечивает безопасность полетов.

Корабли и самолеты также снабжены радиолокаторами, служащими для навигационных целей.
Такие локаторы создают на экране картину расположения объектов, рассеивающих радиоволны, и оператор видит радиолокационную карту местности.

В настоящее время применение радиолокации становится все более разнообразным.
С помощью локаторов наблюдают метеоры в верхних слоях атмосферы.
Локаторы используются службой погоды для наблюдения за обланами.

Локаторы используются в космических исследованиях.
Каждый космический корабль обязательно имеет на борту несколько радиолокаторов.

В 1946 г. в США и Венгрии был осуществлен эксперимент по приему сигнала, отраженного от поверхности Луны.
В 1961 г. учеными нашей страны произведена радиолокация планеты Венера, что позволило оценить период ее вращения вокруг своей оси.
В настоящее время осуществлена локация и других планет Солнечной системы.

Радиолокаторы используются для обнаружения самолетов и кораблей, в службе погоды, для локации планет и др.

Следующая страница «Понятие о телевидении. Развитие средств связи»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Что такое электромагнитная волна —
Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн —
Плотность потока электромагнитного излучения —
Изобретение радио А. С. Поповым. Принципы радиосвязи —
Модуляция и детектирование —
Свойства электромагнитных волн —
Распространение радиоволн —
Радиолокация —
Понятие о телевидении. Развитие средств связи —
Краткие итоги главы

Гражданское применение

В сельском и лесном хозяйстве радиолокационные устройства незаменимы при получении информации о распределении и плотности растительных массивов, изучении структуры, параметров и видов почв, своевременном обнаружении очагов возгораний. В географии и геологии радиолокация используется для выполнения топографических и геоморфологических работ, определения структуры и состава пород, поиска месторождений полезных ископаемых. В гидрологии и океанографии радиолокационными методами осуществляется контроль состояния главных водных артерий страны, снегового и ледяного покрова, картографирование береговой линии.

Радиолокация — это незаменимый помощник метеорологов. РЛС легко выяснит состояние атмосферы на удалении десятков километров, а по анализу полученных данных составляется прогноз изменения погодных условий в той или иной местности.

Эстафета переходит в Германию

В 1904 году немец Христиан Хюльсмейер запатентовал устройство под названием телемобилоскоп. Этот прибор предполагалось использовать в судоходстве для обнаружения кораблей в условиях плохой видимости. Телемобилескоп был построен на основе искрового генератора радиоволн и в своей последней версии мог находить суда на расстоянии до 3 км. Однако устройством не заинтересовались ни гражданские, ни военные, предпочитая по старинке пользоваться на судах паровыми ревунами. По сути прибор Хюльсмайера был еще не радаром, а радиодетектором. Существовавшие на тот момент технологии еще не позволяли построить полноценный радиолокатор.

Схема установки антенны радиолокатора «Зеетакт» на немецкой подводной лодке

В 1920-1930-е годы немецкие ученые и инженеры достигли больших успехов в развитии военной радиолокации. В 1935 году физик Рудольф Кунхольд из Института технологий связи германских ВМС представил радиолокационный прибор с электронно-лучевым дисплеем. К концу 1930-х на его основе были созданы оперативные радиолокаторы «Зеетакт» для флота и «Фрейя» для ПВО.

Однако, несмотря на значительные научные результаты, руководство Третьего рейха рассчитывало на блицкриг и не спешило развивать национальную сеть радаров, считая их преимущественно оборонительными средствами. К 1940 году Германия располагала лишь небольшой сетью станций дальнего обнаружения. И только к концу 1943 года территорию Германии полностью накрыли защитным радиолокационным «колпаком».

Становление радиолокации в Российской Империи и в СССР

В преддверии и во время Первой Мировой войны главные усилия российских радиоинженеров прикладывались к развитию и усовершенствованию радиоразведки за врагом. Для этого проводились определённые мероприятия по сбору сведений о радиосвязи иностранных государств. Ещё в 1914 г. нашим соотечественником, лейтенантом Балтийского флота И.И. Ренгартеном, проводились работы по макетированию радиопеленгатора.

Иван Иванович Ренгартен

В самом начале войны командованием Балтийского флота было принято решение об установке в Кильконде на о. Эзель первого разведывательного радиопеленгатора (РРП). Идею этого РРП предложил И. Ренгартен, им же была разработана и его конструкция. Береговой РРП системы Ренгартена имел антенну зонтичного типа, состоящую из 16 или 32 лучей-радиусов, ориентированных на местности согласно компасным румбам, почему иногда именовался компасной радиостанцией, или радиостанцией компасного типа. Радиопеленгатор в Кильконде начал решать радиоразведывательные задачи.

В СССР идеи радиолокации продвигал с 1932 г. научный сотрудник Ленинградского электрофизического института (ЛЭФИ) П.К. Ощепков, позднее предложивший использовать импульсное излучение. Идея овладела военными, и 16 января 1934 г. в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) под председательством академика А.Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА поставили задачу обнаружения самолётов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях.

Режимы работы РЛС

Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый — сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.

Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.

Связь с другими отраслями науки

Основным фактором, ограничивающим технические характеристики локаторов, является малая мощность принимаемого сигнала. При этом мощность принимаемого сигнала убывает как четвёртая степень дальности (то есть, чтобы увеличить дальность действия локатора в 10 раз нужно увеличить мощность передатчика в 10000 раз). Естественно, на этом пути быстро пришли к пределам, преодолеть которые было далеко не просто. Уже в самом начале развития был осознан тот факт, что имеет значение не сама мощность принимаемого сигнала, а его заметность на фоне шумов приёмника. Снижение шумов приёмника также было ограничено естественными шумами элементов приёмника, например тепловыми. Данный тупик был преодолён на пути усложнения методов обработки принятого сигнала и связанного с этим усложнения формы применяемых сигналов. Развитие радиолокации как научной отрасли знаний шло одновременно с развитием кибернетики и теории информации, и потребовались бы специальные исследования, чтобы решить, где именно были получены первые результаты. Следует отметить появление понятия сигнала, который позволил отвлечься от конкретных физических процессов в приёмнике, таких как напряжение и ток, и позволил решать стоящие проблемы как математическую задачу о поиске наилучших функциональных преобразованиях функций времени.

Одной из первых работ в этой области была работа В. А. Котельникова об оптимальном приёме сигнала, то есть наилучшем в условии шумов методе обработки сигнала. В результате было доказано, что качество приёма зависит не от мощности сигнала, а от его энергии, то есть произведения мощности на время, таким образом, появилась доказанная возможность увеличения дальности действия за счёт увеличения длительности сигналов, в пределе до непрерывного излучения. Значительным шагом вперед стало отчётливое применение в технике методов статистической теории решений (критерий Неймана-Пирсона) и принятие того факта, что исправное устройство может работать с определённой долей вероятности. Для того, чтобы радиолокационный сигнал при большой длительности позволял измерять дальность и скорость с высокой точностью, потребовались сложные сигналы, в отличие от простых радиолокационных импульсов, изменяющие какие-либо характеристики в процессе генерации. Так. сигналы с линейной частотной модуляцией изменяют частоту колебаний в течение одного импульса, сигналы с фазовой манипуляцией скачкообразно изменяют фазу сигнала, обычно на 180 градусов. При создании сложных сигналов было сформулировано понятие функции неопределённости сигнала, показывающей связь точности измерений дальности и скорости. Необходимость повышения точности измерения параметров стимулировало развитие различных методов фильтрации результатов измерений, например, методов оптимальной нелинейной фильтрации, которые явились обобщением фильтра Калмана на нелинейные задачи. В итоге всех этих разработок теоретическая радиолокация оформилась как самостоятельная сильно математизированная отрасль знаний, в которой значительную роль имеют формализованные методы синтеза, то есть проектирование ведётся в известной мере «на кончике пера».

Диапазоны РЛС

Основная статья: Диапазон частот

ОбозначениеIEEE / ITU	Этимология	Частоты	Длина волны	Примечания
HF	англ. high frequency	3—30 МГц	10—100 м	Радары береговой охраны, «загоризонтные» РЛС
P	англ. previous		> 1 м	Использовался в первых радарах
VHF	англ. very high frequency	50—330 МГц	0,9—6 м	Обнаружение на больших дальностях, исследования Земли
UHF	англ. ultra high frequency	300—1000 МГц	0,3—1 м	Обнаружение на больших дальностях (например, артиллерийского обстрела), исследования лесов, поверхности Земли
L	англ. Long	1—2 ГГц	15—30 см	наблюдение и контроль над воздушным движением
S	англ. Short	2—4 ГГц	7,5—15 см	управление воздушным движением, метеорология, морские радары
C	англ. Compromise	4—8 ГГц	3,75—7,5 см	метеорология, спутниковое вещание, промежуточный диапазон между X и S
X		8—12 ГГц	2,5—3,75 см	управление оружием, наведение ракет, морские радары, погода, картографирование среднего разрешения; в США диапазон 10,525 ГГц ± 25 МГц используется в РЛС аэропортов
K_u	англ. under K	12—18 ГГц	1,67—2,5 см	картографирование высокого разрешения, спутниковая альтиметрия
K	нем. kurz — «короткий»	18—27 ГГц	1,11—1,67 см	использование ограничено из-за сильного поглощения водяным паром, поэтому используются диапазоны K_u и K_a. Диапазон K используется для обнаружения облаков, в полицейских дорожных радарах (24,150 ± 0,100 ГГц).
K_a	англ. above K	27—40 ГГц	0,75—1,11 см	Картографирование, управление воздушным движением на коротких дистанциях, специальные радары, управляющие дорожными фотокамерами (34,300 ± 0,100 ГГц)
mm		40—300 ГГц	1—7,5 мм	миллиметровые волны, делятся на два следующих диапазона
V		40—75 ГГц	4,0—7,5 мм	медицинские аппараты КВЧ, применяемые для физиотерапии
W		75—110 ГГц	2,7—4,0 мм	сенсоры в экспериментальных автоматических транспортных средствах, высокоточные исследования погодных явлений

Принцип радиотелефонной связи

Первую передачу информации на расстоянии осуществил русский ученый Александр Степанович Попов (рис. 1).

Рис. 1. Александр Степанович Попов (Источник)

Для этой цели А.С. Попов использовал известную всем азбуку Морзе. Именно ему удалось осуществить радиосвязь, то есть передачу информации при помощи электромагнитных волн. Она заключалась в том, что при помощи точек и тире сообщалась некая информация.

Чем же отличается телефонная радиосвязь от радиосвязи?

Радиотелефонной связью мы называем передачу информации, речи, музыки на большие расстояния при помощи электромагнитных волн. Принцип радиотелефонной связи заключается в следующем: в передающей антенне создается высокочастотный переменный электрический ток, этот ток вокруг передающей антенны создает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Такая волна, попадая на приемную антенну, возбуждает в приемной антенне ток той же частоты, что и был произведен при излучении, и таким образом осуществляется радиосвязь, то есть при помощи электромагнитных волн. Для того чтобы обеспечить такую связь, нужны специальные устройства. Во времена А.С. Попова и Генриха Герца, который впервые осуществил излучение электромагнитной волны и ее прием, источники электромагнитных колебаний были очень слабы, и поэтому на большие расстояния электромагнитная волна распространяться не могла. Тем не менее А.С. Попову удалось осуществить связь на расстоянии более 70 километров.

В наше время радиосвязь осуществляется по всему земному шару, даже за его пределами. Вопрос с производством высокочастотных колебаний был решен в 1913 году, когда был создан генератор незатухающих электромагнитных колебаний (рис. 2).

Рис. 2. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний (Источник)

Главной частью генератора является трехэлектродная лампа – триод, которая состоит из трех частей: анод, сетка и катод. Вот такая лампа является основной частью любого генератора незатухающих колебаний.

Рассмотрим схему устройства передатчика электромагнитных волн или передающего устройства (рис. 3):

Рис. 3. Передатчик электромагнитных волн (Источник)

В первую очередь это генератор высокой частоты (ГВЧ), соединенный с модулятором (М), на который поступает звук от микрофона. В микрофоне механические колебания, звуковые колебания преобразуются в электрические колебания низкой частоты, и эти колебания от генератора высокой частоты и микрофона соединяются в модуляторе.

После усилителя (У) промодулированный сигнал поступает на передающую антенну, и уже этот сигнал выходит в эфир.

Слово «модуляция» означает «размеренность». Рассмотрим, как осуществляется модуляция в передающей части и из чего она состоит (рис. 4).

Рис. 4. Модуляция в передающей части (Источник)

На первой части рисунка изображены высокочастотные колебания, по вертикали расположено напряжение (U₁), которое изменяется синусоидально и за очень маленький промежуток времени проходит очень много колебаний.

Вторая часть рисунка соответствует электрическим сигналам, которые поступают на модулятор от микрофона, это низкочастотные сигналы.

Когда в модуляции происходит объединение этих сигналов, мы наблюдаем высокочастотную составляющую, которая меняется по амплитуде в соответствии сигналам низких частот.

Этот процесс называется амплитудная модуляция.

Сегодня амплитудная модуляция – хорошо изученный и отработанный элемент, поэтому очень часто используется в радиосвязи, то есть когда мы слушаем радио, мы используем амплитудно-модулированный сигнал.

Существуют и другие способы модуляции: частотная модуляция или фазовая модуляция, они тоже нашли свое применение.

Как работает радиолокационная станция

Антенна

излучает радиоимпульсы в определенном направлении. Когда импульс наталкивается на какой-либо объект, например, судно или остров, часть энергии импульса возвращается к антенне. Направление, в котором повернута антенна при получении отраженного сигнала, является направлением цели, давшей такое отражение. Так как радиоволны распространяются практически с постоянной скоростью, время, требующееся для возвращения отраженного сигнала к антенне, является мерой дальности цели.

Как РЛС определяет расстояние

Радиоимпульс проходит в прямом и обратном направлении, но для определения расстояния до цели требуется только половина времени его пути. Следующее уравнение показывает, как определяется расстояние:

где c

— скорость радиоимпульса (3 x 108 м/с)T — время между передачей радиоимпульса и приемом отраженного эхосигналаD — расстояние

Как радиоволны, так и световые волны распространяются практически с постоянной скоростью, равной 300000 км/с (186000 миль/с); поэтому РЛС может обрабатывать огромные объемы информации за очень короткое время. Для сравнения, гидролокатор и эхолот

используют при работе ультразвуковые волны. Так как скорость распространения ультразвуковых волн составляет 2420 км/с (1500 миль/с), обработка сигнала осуществляется гораздо медленнее, чем в случае РЛС.

Как РЛС определяет пеленг

РЛС определяет расстояние до цели путем измерения количества времени, которое требуется для возвращения отраженного эхосигнала к антенне. Пеленг на цель определяется по направлению, из которого возвращается отраженный эхосигнал.

Антенна поворачивается на 360° вокруг своей вертикальной оси с использованием специального механизма. Чтобы добиться высокой разрешающей способности по пеленгу, антенна передает радиочастотные (РЧ) импульсы в форме узконаправленного луча. «Суперлучи» имеют ширину в горизонтальной плоскости порядка 1 (одного) градуса и меньше, обеспечивая высокую точность определения пеленга. Чем меньше ширина луча, тем точнее можно определить пеленг на цель.

Как РЛС отображает цели

Радиолокационные цели отображаются на так называемом индикаторе кругового обзора

(ИКО). По сути, это диаграмма направленности антенны в полярных координатах, в середине которой расположено передающее импульсы судно. Эхосигналы от целей принимаются и отображаются в направлении, соответствующем относительному пеленгу, на расстоянии от центра ИКО, соответствующем их удалению от своего судна. Ранние модели РЛС отображали цели, а также лишь некоторые графические данные, например, курсовую черту и кольца дальности. Чтобы увидеть изображение на экране, нужен был специальный козырек для защиты от световых помех.

Почти все более поздние модели РЛС используют ЖК-дисплеи или мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Дисплеи такого типа обеспечивают стабильное, яркое, нетемнеющее отображение радиолокационных эхосигналов на монохромном или цветном экране в зависимости от модели. Изображение хорошо видно даже при ярком солнечном свете. На экране отображается различная информация в цифровом формате, чтобы пользователь всегда имел полное представление об окружающей навигационной обстановке.

Дальность действия РЛС

Атмосферные условия и форма цели, материал и ракурс в небольшой степени влияют на дальность действия РЛС. Тем не менее в общем случае дальность действия РЛС вычисляется по следующей формуле:

D – расстояние от антенны до горизонта цели. При нормальных атмосферных условиях это расстояние на 6% больше, чем оптический горизонт. Это вызвано тем, что радиоволны преломляются вследствие атмосферных изменений.

Чем выше антенна или цель расположены над поверхностью моря, тем больше дальность обнаружения цели. Например, если антенна расположена на высоте 9 м над уровнем моря, а высота цели 16 м, на экране прибора можно будет увидеть эхосигнал от этой цели на расстоянии 15 миль.

Аномальные условия распространения радиоимпульсов

При определенных атмосферных условиях могут образоваться воздушные каналы, которые влияют на распространение радиоимпульсов и, в свою очередь, на дальность действия РЛС. Если радиоимпульсы отклоняются вниз, они могут пройти большее расстояние, таким образом увеличивая дальность обнаружения целей. Это явление называется сверхрефракция. Противоположное явление, когда радиоволны отклоняются вверх и уменьшается дальность обнаружения целей, называется субрефракция.

По материалам Furuno

Радиолокационные экраны.

Для измерений времени, прошедшего от момента посылки РЛС исходного импульса до момента получения отраженного, используется экран телевизионного типа. Радиолокационные экраны нескольких типов показаны на рис. 2. Поперек экрана типа A электронный луч прочерчивает горизонтальную линию развертки. Посылаемый радиолокатором и принятый отраженный сигналы вызывают отклонения электронного луча в вертикальном направлении. Расстояние между этими двумя пиками служит мерой времени, которое сигнал затратил на прохождение расстояния до цели и обратно. На линии развертки может быть нанесена шкала расстояний до цели в метрах или километрах. Разработан трехмерный радиолокационный индикатор, на экране которого отображались дальность до цели, ее азимут и угол возвышения. Этот экран, известный как экран типа G, позднее был приспособлен для использования в системах управления воздушным движением.

Принцип радиолокации

Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:

В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным измерение дальности до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.

Как работает радиолокатор

Определение местонахождения чего-либо называют локацией. Для этого в технике применяют устройство, называемое локатором. Локатор излучает какой-либо вид энергии, например, звук или оптический сигнал, в сторону предполагаемого объекта, а затем принимает отражённый от него сигнал. Радиолокатор использует для этой цели радиоволны.

На самом деле радиолокатор, или радиолокационная станция (РЛС), — сложная система. Конструкции различных радиолокаторов могут различаться, но принцип их работы одинаков. Радиопередатчик посылает в пространство радиоволны. Достигнув цели, они отражаются от неё, как от зеркала, и возвращаются назад. Такая радиолокация называется активной.

Основные узлы радиолокатора (РЛС) – передатчик, антенна, антенный переключатель, приёмник, индикатор.

По способу излучения радиоволн РЛС делятся на импульсные и непрерывного действия.

Как работает импульсная радиолокационная станция?

Передатчик радиоволн включается на короткое время, поэтому радиоволны излучаются импульсами. Они поступают в антенну, которая располагается в фокусе зеркала параболоидной формы. Это нужно для того, чтобы радиоволны распространялись в определённом направлении. Работа радиолокатора похожа на работу светового прожектора, лучи которого подобным образом направляются в небо и, освещая его, ищут нужный объект. Но работа прожектора этим и ограничивается. А радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает сигнал, отражённый от найденного объекта (радиоэхо). Эту функцию выполняет приёмник.

Антенна импульсного радиолокатора работает то на передачу, то на приём. Для этого в ней есть переключатель. Как только радиосигнал послан, отключается передатчик и включается приёмник. Наступает пауза, во время которой радиолокатор как бы «слушает» эфир и ждёт радиоэхо. И как только антенна улавливает отражённый сигнал, тут же отключается приёмник и включается передатчик. И так далее. Причём время паузы может во много раз превышать длительность импульса. Таким образом излучаемый и принимаемый сигнал разделяются во времени.

Принятый радиосигнал усиливается и обрабатывается. На индикаторе, который в простейшем случае представляет собой дисплей, отображается обработанная информация, например, размеры объекта или расстояние до него, или сама цель и окружающая её обстановка.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Поэтому, зная время tот излучения импульса радиосигнала до его возвращения, можно определить расстояние до объекта.

R = cˑt/2,

где с – скорость света.

Радиолокатор непрерывного действия высокочастотные радиоволны излучает непрерывно. Поэтому антенной улавливается также непрерывный отражённый сигнал. В своей работе такие РЛС используют эффект Доплера. Суть этого эффекта в том, что частота сигнала, отражённого от объекта, движущегося по направлению к радиолокатору, выше частоты сигнала, отражённого от объекта, удаляющегося от него, несмотря на то, что частота излучаемого сигнала постоянна. Поэтому такие РЛС используют для определения параметров движущегося объекта. Пример радиолокатора, в основе работы которого лежит эффект Доплера – радар, используемый сотрудниками ГИБДД для определения скорости движущегося автомобиля.

В поисках объекта направленный луч антенны РЛС сканирует пространство, описывая полный круг, либо выбирая определённый сектор. Он может быть направлен по винтовой линии, по спирали. Обзор также может быть коническим или линейным. Всё зависит от задачи, которую он должен выполнить.

Если необходимо постоянно следить за выбранной движущейся целью, антенна радиолокатора всё время направлена на неё и поворачивается вслед за ней с помощью специальных следящих систем.

Литература

Поляков В. Т. Посвящение в радиоэлектронику. — М.: Радио и связь, 1988. — 352 с. — (МРБ. Выпуск 1123). — 900 000 экз. — ISBN 5-256-00077-2.
Леонов А. И. Радиолокация в противоракетной обороне. — М.: Воениздат, 1967. — 136 с. — (Радиолокационная техника).
Радиолокационные станции бокового обзора / Под редакцией А. П. Реутова. — М.: Советское радио, 1970. — 360 с. — 6700 экз.
Радиолокационные станции воздушной разведки / Под редакцией Г. С. Кондратенкова. — М.: Воениздат, 1983. — 152 с. — 18 000 экз. — ISBN 200001705124.
Мищенко Ю. А. Загоризонтная радиолокация. — М.: Воениздат, 1972. — 96 с. — (Радиолокационная техника).
Бартон Д. Радиолокационные системы / Сокращённый перевод с английского под редакцией К. Н. Трофимова. — М.: Воениздат, 1967. — 480 с.
Шембель Б. К. У истоков радиолокации в СССР. — М.: Советское радио, 1977. — 80 с.
Водопьянов Ф. А. . Радиолокация. — М., 1946.
Рыжов К. В. 100 великих изобретений. — М.: Вече, 2009. — 480 с. — (100 великих). — ISBN 5-7838-0528-9.
Bowen, Edward George. Radar Days. — CRC Press, 1998. — ISBN 9780750305860.
Центральная радиолаборатория в Ленинграде // Под ред. И. В. Бренёва. — М.: Советское радио, 1973.
Военно-исторический музей артиллерии, инженерных войск и войск связи. Коллекция документов генерал-лейтенанта М. М. Лобанова по истории развития радиолокационной техники. Ф. 52Р оп. № 13
Лобанов М. М. Из прошлого радиолокации: Краткий очерк. — М.: Воениздат, 1969. — 212 с. — 6500 экз.
Лобанов М. М. Мы —— военные инженеры. — М.: Воениздат, 1977. — 223 с.
Лобанов М. М. Глава седьмая. О Совете по радиолокации при Государственном комитете обороны // Начало советской радиолокации. — М.: Советское радио, 1975. — 288 с.