Курсовая работа

по дисциплине «Общая и экспериментальная физика»

На сегодняшний день радиолокацию можно рассматривать как область радиоэлектроники, занимающаяся обнаружением объектов (целей), определением их пространственных координат, параметров движения и физических размеров с помощью радиотехнических средств и методов. При этом под радиолокацией понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов, а устройства такого назначения - радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами[12].

Следует отметить, что радиолокация по общему признанию историков возникла примерно в одно и то же время в различных странах - СССР, США, Великобритании, Германии - как ответ на четко определенный социальный заказ на создание новых типов радиотехнических систем - «радаров», или радиолокационных станций.

Увеличение скоростей военных самолетов и развитие военно-морского флота потребовали и новых способов их обнаружения и навигации. Старая аппаратура, звукоулавливатели и прожекторные системы - для решения новых оперативных задач армии не годились, именно поэтому перед инженерами и учеными была поставлена конкретная инженерная задача: проверить возможность использования радиоволн для обнаружения различных объектов и разработать соответствующую экспериментальную аппаратуру [1, c. 27]. радиолокация физический антенный

Однако для решения этой сложной задачи необходимо было провести целый ряд новых научных исследований, и для этого были сформулированы сложные научные проблемы, в процессе разработки которых и сформировалось новое исследовательское направление в рамках радиотехники.

Формирование нового исследовательского направления - радиолокации - в рамках радиотехники как научно-технической дисциплины сопровождалось выходом в свет многочисленных статей и появлением патентов, описывающих принципы действия, аппаратуру и методы работы РЛС, а также становлением промышленной базы для их изготовления [1, c. 27].

Таким образом, современная радиолокация - это высокоинтеллектуальный продукт инженерной мысли, который сегодня является основным средством разведки и наблюдения. Современные РЛС и системы разведки земного, морского и воздушного пространства создаются на базе компьютерных и телекоммуникационных технологий, глобальных и локальных систем координатно-временного обеспечения, цифровой обработки сигналов. Также создаются станции с управляемой энергетикой (в том числе сложение энергии сигнала в пространстве), развивается многопозиционная локация, достигнуты существенное уменьшение габаритов и энергопотребления, рост функциональной насыщенности аппаратуры и многое другое [3, c. 185].

Следует отметить, что радиолокация основана на использовании ряда физических законов и свойств, связанных с распространением и рассеянием электромагнитных волн (ЭМВ). Важнейшим для радиолокации свойством электромагнитных волн является их рассеяние при падении на объекты, что позволяет, принимая рассеянные объектом волны и измеряя их параметры, судить о наличии и свойствах объекта. В общем случае объект рассеивает волны во все стороны, в том числе и в сторону, обратную направлению прихода падающей волны. Таким образом, облучая объект, можно принимать отраженную волну в том же месте, откуда распространяется волна облучения [20].

Также в радиолокации используется закон о прямолинейности и постоянства скорости распространения электромагнитных волн в однородной среде. Другими словами, электромагнитные волны распространяются в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью:

, (1)

где е_ам_а- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды (для свободного пространства е_а = е₀ =1/36р *10⁹ Ф/м;= = 4р* 10^-7 Г/м и соответственно х = с = 3 * 10⁸ м/с).

Нужно подчеркнуть тот факт, что именно постоянство вектора скорости распространения электромагнитных волн в однородной среде, то есть его модуля и направления, служит физической основой радиолокационных измерений [20].

Действительно, благодаря этому дальность Д и время распространения радиоволны (РВ) связаны прямой пропорциональностью, и если измерено время прохождения волны между целью и РЛС, то становится известным и расстояние между ними:

Д = с (2)

Цель вносит неоднородность в свободное пространство, так как параметры ее е_а и отличаются соответственно от е₀ и , чем нарушается постоянство вектора скорости распространения радиоволн. В результате объект преобразует радиоизлучение: часть энергии переотражается, часть - поглощается объектом, переходя в тепло, а другая часть при радиопрозрачности объекта - преломляется, изменяя направление радиоволны. С точки зрения радиолокации интересен первый случай, когда цель становится источником вторичного излучения. По времени запаздывания отраженного сигнала относительно излученного (формула 3)определяем наклонную дальность цели (формула 4):

= 2Д/с, (3)

Д = с/2. (4)

Возможно и такое решение: на цели, если она «своя», а не противника, устанавливается приемопередатчик, называемый ответчиком, или ретранслятором, который принимает зондирующий сигнал от РЛС и усиливает его для запуска передатчика. Ответный сигнал принимается на РЛС, и дальность цели определяется по следующей формуле:

, (5)

где - запаздывание ответного сигнала относительно зондирующего; - заранее известное время задержки сигнала в цепях ответчика [20].

Необходимо заметить, что величина должна измеряться безынерционными электронными часами, так как время запаздывания радиолокационных сигналов очень мало (от микро- до миллисекунд). Например, радиоволны, отраженные от цели с дальностью Д = 150 м, запаздывает на одну микросекунду, и каждому километру дальности цели соответствует задержка радиоволны на время 1000/150 = 6,7 мкс. При этом пусть радиолокационная антенна имеет вид прямолинейной решетки из вибраторов(p), отстоящих один от другого на расстоянии (d) (рисунок 1). Значительная удаленность цели от РЛС позволяет, что лучи, идущие от цели к вибраторам, направлены параллельно под углом (ц)к решетки, а амплитуды ЭДС, наводимых в отдельных вибраторах, равны между собой: ?_1m = ?_2m = ?_3m = … = ?_pm.

Рисунок 1. Прием радиоволны линейной вибраторной антенной решеткой

В этих условиях ЭДС соседних вибраторов отличаются только сдвигом по фазе ш, вызванным разностью хода волн (dcosц). Так как на каждую единицу длины данная бегущая волна отстает по фазе на угол 2р/л, то:

Ш = 2рdcosц/л (6)

Сложение векторов ЭДС вибраторов ?_1m, ?_2m, …, ?_pmпри различных углах Ш = и Ш = (рисунок 2) дает различную результирующую ЭДС в антенне, отсюда и вытекает возможность пеленгации цели по амплитудным и фазовым характеристикам направленности антенны, а первопричиной образования таких характеристик явилось различие в запаздывании волн, принимаемых отдельными элементами решетки, следовательно, не только радиодальнометрия, но и радиопеленгация основана на постоянстве скорости и направления распространения волн [20].

Рисунок 2. Векторные диаграммы эдс решетки при различных направлениях облучения.

Радиальную и угловую скорости цели можно найти вычислением скорости приращения дальности и углов во времени, но обычно предпочитают более простую и точную операцию - непосредственное измерение так называемого доплеровского сдвига частоты (f0), вызванного движением цели. Доплеровский сдвиг частоты Fд связан с радиальной скоростью движения объекта Vr соотношением:

, (7)

где л0 - длина волны излучаемого сигнала; Vr- радиальная скорость относительного движения цели.

Если цель приближается к РЛС или удаляется от нее, то отраженный сигнал появляется в РЛС соответственно раньше или позже, чем при неподвижной цели, и за счет этого фаза принимаемой волны имеет другие значения, а это равнозначно приращению частоты радиосигнала. Измерив полученное (доплеровское) приращение частоты, можно (благодаря постоянству скорости распространения радиоволн) определить радиальную скорость цели.

Подобно тому, как разность времени запаздывания сигнала в элементах антенны определяется угловыми координатами цели, разность доплеровских сдвигов частот в тех же (обычно крайних) элементах антенны определяется скоростью изменения углового положения цели [20].

Таким образом, радиолокации является одним из важнейших направлений современной радиоэлектроники, при этом история именно этой области науки и техники дает возможность проследить общие процессы современного научно-технического прогресса. В настоящее время радиолокация применяется не только в армии, так как теперь она успешно служит во многих областях мирной жизни, помогает решать сложные задачи науки.

Физической основой радиолокационных измерений дальности, угловых координат, радиальной и угловой скоростей цели является постоянство направления и скорости распространения электромагнитных волн в однородной среде.

Существующие на сегодняшний день методы радиолокации можно условно объединить в две группы:

- методы образования радиолокационных сигналов;

- методы определения местоположения объектов.

Зондирующее излучение не является сигналом, так как электромагнитные волны становятся носителем информации о цели, то есть радиолокационным сигналом, лишь после соприкосновения с целью, при этом цель играет активную или пассивную роль. Отсюда происходит следующая классификация методов радиолокации по способу образования радиолокационных сигналов [15].

Рисунок 7. Упрощенные схемы формирования радиолокационных сигналов: а - при активной локации с пассивным ответом; б - при активной локации с активным ответом; в - при пассивной локации; г - при полуактивной локации.

При активной радиолокации (рисунок 7, а) радиоволны, излучаемые антенной передающего устройства РЛС, направляются на цель; приемное устройство той же РЛС принимает отраженные волны и преобразует их так, что выходное устройство с помощью опорных сигналов (пунктирная стрелка) извлекает содержащуюся в отраженном сигнале информацию: наличие цели, ее дальность, направление, скорость и др. Этот метод радиолокации называется активным потому, что предусматривает облучение цели антенной РЛС [15].

Активная радиолокация с активным ответом(рисунок 7, б) предполагает наличие на объекте ответчика (ретранслятора), который состоит из приемного устройства, предназначенного для приема и усиления прямого сигнала, поступающего от РЛС - запросчика, и передающего устройства - для создания ответного сигнала (переизлучения).

Пассивная радиолокация (рисунок 7, в) означает, что сама цель является источником электромагнитного излучения, а РЛС выполняет функции приемного устройства, предназначенного для определения направления на этот источник. Собственное излучение создается нагретыми частями объекта, ионизированной атмосферой, окружающей объект, и, наконец, радиопередающим устройством, которое может оказаться на данном объекте [15].

Разнесенная система(рисунок 7, г) - разновидность радиолокации по пассивным целям. Ее характерная черта: передающее и приемное устройства разнесены на значительное расстояние. На рисунке также показана функциональная схема разнесенной системы активной радиолокации, в которой передающее устройство принадлежит наземной станции, а приемные устройства - управляемому снаряду. Одно из них (I) предназначено для приема отраженных от цели сигналов, а другое (II) - для приема от передатчика опорных сигналов, а выходное устройство, используя эти сигналы, вырабатывает команды наведения снаряда на цель [15].

Возможна разнесенная система пассивной радиолокации, где цель не облучается со стороны РЛС, а наоборот, сама излучает волны с помощью имеющегося на ней специального передатчика - маяка; РЛС только принимает и обрабатывает эти сигналы. В обоих вариантах системы та ее часть, где производится радиолокационные измерения, в облучении цели не участвует. Поэтому разнесенную систему относят к полуактивной радиолокации [17].

Активная радиолокация в отличие от пассивной позволяет определять все координаты цели (не только направление на нее); преимущество пассивной системы - скрытый характер локации (со стороны РЛС нет излучения).Полуактивную радиолокацию целесообразно применять в РЛС управления летательными аппаратами, где возможность уменьшить вес и габариты бортовой аппаратуры за счет исключения из нее передающей части РЛС особенно важна. Передатчик вместо этого устанавливают на пункте управления.

При активной радиолокации с активным ответом запросный и ответный сигналы кодируются, чтобы по коду можно было определить государственную принадлежность цели («свой - чужой») и получить дополнительную информацию. Такой метод радиолокации весьма эффективен и как средство навигации. Третье важное преимущество систем с активным ответом - выигрыш в дальности действия, обусловленный значительно большей мощностью ответного сигнала по сравнению с отраженным от цели.Однако ответную аппаратуру можно установить только на «своем» объекте. Поэтому наибольшее применение получила активная радиолокация по пассивным целям (рисунок 7, а), которую для краткости будем называть активной [17].

Таким образом, по принципам образования радиолокационных сигналов методы радиолокации разделяются на активные, полуактивные и пассивные, но на практике часто их совмещают при проектировании радиолокационных систем.

С появлением радиолокации она нашла свое широкое практическое применение непосредственно в военном деле, так, например, первые РЛС, поступившие на вооружение армии, использовались для обнаружения самолетов и входили в подразделения противовоздушной обороны. На сегодняшний день РЛС успешно применяются не только на борту истребителей, многофункциональных самолетов, вертолетов, но и беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и других типов и классов летательных аппаратов, используемых для разведки целей, обнаружения и наблюдения за ними, на которые устанавливается многорежимная РЛС с синтезированной апертурой [5, c. 6].

Следует отметить, что на просторах необъятных морей и океанов моряки тоже используют преимущества радиолокации, так корабельные РЛС предназначены для:

- обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей;

- обзора надводной и береговой поверхности в интересах навигации;

- целеуказания и наведения зенитных, противокорабельных и других управляемых ракет и орудий;

- контроля и управления полетами авиации, наведения палубных истребителей;

- обеспечения поисково-спасательных операций.

В свою очередь береговые РЛС обеспечивают судовождение в прибрежной зоне, охрану морских границ [14].

В современных сухопутных войсках применяются портативные РЛС, которые, несмотря на свою «малокалиберность», выполняют весьма важную задачу - это, конечно, наблюдение за полем боя. По данным зарубежной печати, в настоящее время общевойсковой командир имеет в своем распоряжении, например, такие станции:

-переносная полевая радиолокационная станция - работающий на ней оператор обнаруживает движение войсковой колонны за 1,5-2 километра, машину - за 6 километров, а обнаружение цели производится оператором на слух, так как принятый отраженный сигнал преобразуется в звуковой, высота тона и громкость которого зависят от характера цели;

- портативные станции, которые заменяют часовых при охране важных объектов - они обнаруживают человека за 45 метров, машины за 180 метров и определяют скорость движения замеченных объектов;

Как оказалось, и в мирной жизни радиолокация нашла свое непосредственное применение. Впервые радиолокационные методы были использованы в науке для исследования ионосферы, и первым прототипом радиолокатора была именно ионосферная станция М.А. Бонч-Бруевича.

Ионосфера подобна слоеному пирогу, для каждого слоя которой характерна своя концентрация электронов и ионов, и при определенной концентрации электронов в слое (она называется критической) радиоволны будут отражаться от него. Значение критической концентрации электронов для волн различной длины разное, поэтому, замеряя высоту, на которой произошло отражение сигнала с той или иной длиной волны, можно получить распределение электронной концентрации по всей высоте ионосферы. Эти сведения представляют не только чисто академический интерес (с точки зрения физики атмосферы Земли), но и имеют большую практическую ценность, так как, зная характеристики ионосферы, можно прогнозировать условия распространения радиоволн, используемых в различных системах связи [10, c. 112].

Также незаменимым помощником стала радиолокация и для метеорологов, так как на сегодняшний день самый простой метод наблюдения за погодой - это запуски шаров-зондов с метеоприборами. Если к такому шару - зонду прикрепить легкий металлический отражатель, то радиолокатор проследит за его перемещением на расстоянии в несколько сот километров, при этом можно установить скорость и направление воздушных течений на различных высотах (косвенный метод наблюдения за атмосферой).

В свою очередь радиолокация может и непосредственно наблюдать за облаками, грозовыми фронтами и тайфунами, так как характеристики современных станций настолько совершенны, что позволяют не только регистрировать движение фронтов облачности, но и оценивать интенсивность осадков. Как сообщалось в зарубежной печати, создана метеорологическая радиолокационная станция, которая позволяет фиксировать даже турбулентные образования в чистой атмосфере, то есть, грубо говоря, замечать завихрения, возникающие при перемещении слоев атмосферы [10, c. 112].

Особенно важную роль играют метеорологические радиолокаторы при наблюдении за ураганами и тайфунами, так как на основании полученных данных посылаются предупреждения командам судов, находящихся в угрожаемых районах, и летчикам, маршруты которых пролегают вблизи опасных мест.

Следует отметить, что высокая точность измерения расстояния до отражающего объекта, которую обеспечивают современные станции, позволяет использовать радиолокацию для картографирования земной поверхности, причем картографирование может осуществляться и с самолетов, что позволяет охватить сразу очень большие площади. Так загоризонтные радиолокаторы дадут возможность производить съемку береговых линий, удаленных на расстояние в тысячи километров. Это возможно потому, что сигналы, отраженные от морской поверхности, которая всегда хоть немного да волнуется, отличаются по частоте от эхо-сигналов, отразившихся от неподвижного берега (эффект Доплера) [18].

Огромные перспективы открыла радиолокация для изучения космического пространства, с тех пор, когда в 1946 году специалисты Венгрии и США впервые осуществили прием отраженных радиолокационных сигналов при облучении Луны, она непрерывно изучается с помощью радиолокационных установок, которые непрерывно совершенствуются.

Радиолокация помогла не только точно измерить расстояние до Луны, но и высказать целый ряд предположений о ее строении и характере поверхности. Нетрудно понять, насколько необходима была эта информация для посадки на поверхность Луны советских автоматических межпланетных станций и космических кораблей «Аполлон» с исследователями на борту [13].

В 1961 году ученым СССР, США и Англии удалось получить отраженные сигналы при радиолокации Венеры. В советской печати подробно освещались результаты этих работ, за которые коллектив ученых во главе с академиком В.В. Котельниковым был удостоен Ленинской премии.

Дальнейшими этапами развития космической радиолокации были успешные опыты по исследованию Марса и даже Юпитера в 1963 году. Насколько трудно было осуществить эти эксперименты, позволяют судить такие цифры. Расстояние до Юпитера 1200000 000 километров, задержка обратного сигнала 1 час 6 минут, время за которое накапливался слабый отраженный сигнал -- свыше 20 часов. Можно ли вообще представить, сколько труда было вложено в создание такого чувствительного радиолокатора, который смог бы «поймать» цель, удаленную на такое огромное расстояние? И все-таки наши советские специалисты смогли решить и эту задачу [13].

Ученые и радиоспециалисты США осуществили успешный эксперимент по радиолокации Солнца, и в этом эксперименте удалось получить данные о характере радиоизлучения Солнца, о движении массы солнечной короны и о скорости солнечного ветра.

Вывод космических кораблей на орбиту, слежение за траекторией их полета, мягкая посадка межпланетных станций и приземление космических кораблей с экипажем на борту, даже поиск уже приземлившихся или приводнившихся кораблей - вот далеко не полный перечень задач, выполняемых радиолокационными станциями [13].

Следует отметить, что радиолокация применяется также в следующих отраслях и науках:

- сельское и лесное хозяйство -исследование плотности растительного покрова, распределение лесных массивов, лугов и полей, определение вида почв, их температуры и влажности, контроль за состоянием ирригационных систем, обнаружение пожаров;

- география - определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология;

- геология - определение состава пород и их структуры, стратиграфия осадочных пород, поиск минеральных месторождений, отработка техники разведки полезных ископаемых.

- гидрология - исследование процессов испарения влаги, распределение и инфильтрация осадков, изучение стока грунтовых вод и загрязнения водных поверхностей, определение характера снегового и ледового покрова, наблюдение за водным режимом главных рек;

- океанография - определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов, картографирование береговой линии, наблюдение за биологическими явлениями, проведение ледовой разведки [8, c. 49].

Таким образом, сфера гражданского применения радиолокации достаточно велика и требует дальнейшего развития.

2.3 Противодействие радиолокационному наблюдению