История развития радиолокации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История развития радиолокации

1.1 Опыты Герца

1.2 Начало развития радиолокации в СССР

1.3 Радиоастрономия

2. Основные принципы

2.1 Основы радиолокации

2.2 Основные характеристики

2.3 Пассивные и активные системы радиолокации

2.4 Задачи решаемые радиолокацией

3. Радиолокационная техника

4. Конструкции отдельных элементов РЛС

5. Перспективы развития радиолокации

Заключение

Литература

Введение

В 1864 г. английский физик Максвелл теоретически доказал существование электромагнитных волн, предсказанное еще Фарадеем, а в 1888 г. немецкий ученый Герц экспериментально доказал существование этих волн. Опыт Герца состоял в том, что с помощью катушки Румкорфа в пространстве создавались слабые электромагнитные волны, воспринимаемые тут же расположенным «резонатором». Слабая искра в резонаторе свидетельствовала о приеме высокочастотных электромагнитных колебаний. Казалось, что принцип связи без проводов уже найден, стоит лишь увеличить мощность передающего устройства. Именно по этому пути и шли ученые, которые хотели использовать волны Герца для связи без проводов. Однако это не привело к существенным результатам.

7 мая 1895 г. А.С. Попов на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге демонстрировал прибор, принимающий электромагнитные колебания. Этот прибор был первым в мире радиоприемным устройством; к нему было добавлено регистрирующее устройство и создан грозоотметчик.

Радиоприемное устройство Попова отличалось от приемных устройств предшествующих исследователей (Герца, Лоджа) двумя особенностями: наличием антенны и использованием усиления принятого сигнала.

В 1918 г. Армстронг получил патент на схему супергетеродинного приемника-передатчика.

В начале 30-х годов были созданы многосеточные лампы, в связи, с чем супергетеродинные схемы становятся основными для большинства приемников-передатчиков.

Где-то в пятидесятые годы большинство жителей нашей страны впервые услышали слово радиолокация. Оно произносилось, как правило, тихим голосом, с большим почтением и уважением к этому слову и несло в себе элемент того, что произносивший это слово причастен к каким-то высшим либо военным, либо научным секретам. Популярные массовые публикации того времени в газетах и журналах, детективные повести и фильмы убеждали читателей и зрителей в существовании очень сложного, способного сотворить чудо средства, которое позволит защитить наше небо от непрошеных гостей, дать возможность самолетам летать в любую погоду, при любой видимости и видеть все, что творится в небесах, на земле и на море. Но шло время и, как это всегда бывает, массовый интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину с четко очерченными границами возможностей и приложений.

Потребовалось немало времени, чтобы усовершенствовать способы и технику радиообнаружения целей. Приборы радиообнаружения получили массовое применение только во второй мировой войне. Самолеты и корабли, облучаемые радиоволнами, уподобляются зеркалам. Конечно, они мало напоминают ровную, полированную поверхность обычного зеркала, и поэтому отражение от них получается беспорядочным, рассеянным во все стороны. Но часть отраженных радиоволн непременно попадет к тому месту, где установлен чувствительный радиоприемник.

В 60-е годы началось освоение инфракрасного и оптического диапазонов волн. Развитие радиолокационной техники привело к разработке новых методов усиления слабых электрических колебаний. Были созданы малошумящие усилители СВЧ с использованием ламп бегущей волны, молекулярные и параметрические усилители, усилители на туннельных диодах. Развитие полупроводниковой электроники привело к новому направлению в разработке методов и устройств приема и обработки информации - микроэлектронике. Успехи в развитии современной микроэлектроники позволяют значительно улучшить основные параметры радиолокационных устройств.

Современная технология производства радиоэлектронной аппаратуры, принципиально новые схемные решения, реализация которых стала возможной на ее основе, так как количество элементов и сложность схем при использовании интегральных микросхем перестали быть ограничивающими факторами, позволили резко повысить качественные показатели всех видов радиолокационных устройств.

Судовождение, авиация немыслимы сегодня без совершенных радиолокационных станций.

Современная научно-техническая революция находит свое яркое выражение в бурном развитии радиотехники, в частности техники радиолокационных устройств.

1. История развития радиолокации

1.1 Опыты Герца

Знаменитый физик Герц 1888 г своим опытом доказал, что полученные им радиоволны, которые он назвал электромагнитными, могут отражаться от металлических тел, подобно тому, как лучи света отражаются от зеркал. На рис. 1 видны три основные детали. Слева расположен прибор, излучающий радиоволны, направленные пучком к большому металлическому листу. Эта вторая деталь рисунка представляет собой зеркало для радиоволн. Отразившись от металлического листа, радиоволны попадают к приемному аппарату.

Рис. 1. Опыт физика Герца 1888 г.

Стоит убрать металлический лист, и приемный аппарат перестанет сигнализировать о получении им отраженных волн. Не встречая отражающей поверхности, радиоволны, распространяясь прямолинейно, уйдут в окружающее пространство, минуя приемный аппарат. Дальше вы убедитесь, что этот опыт имеет прямое отношение к основам радиолокации. Напомним, что в то время, когда производился этот опыт, о радио еще ничего не было известно. То, что мною названо радиоволнами, в то время имело другое название: электромагнитные волны, или лучи Герца.

Радиоволнами они стали называться значительно позднее, после того, как в 1895 г. русский ученый Попов впервые применил эти лучи для связи на расстоянии без проводов.

1.2 Начало развития радиолокации в СССР

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 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. За последние десятилетия радиолокационная техника неузнаваемо изменилась.

1.3 Радиоастрономия

Развитие радиоастрономии началось в 1940-х гг., когда впервые случайно были обнаружены космические радиосигналы. Множество объектов, от Солнца до галактик, и даже сама Вселенная, излучают радиоволны. Радиоволны проникают сквозь атмосферу, так что большие радиотелескопы можно строить прямо на Земле. Радиотелескопы работают круглые сутки, причем независимо от погоды, поскольку радиосигналы проходят даже сквозь облака.

Радиотелескоп по принципу своего действия во многом похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем так преобразует этот сигнал, чтобы можно было построить условно раскрашенное изображение неба, показывающее силу радиосигналов этой длины волны во всех его участках. Радиотелескопы можно отнести к пассивной радиолокации. Как известно, радиоволны используются для связи, но определенные диапазоны частот специально резервируют и держат чистыми для радиоастрономов.

В большинстве известных типов радиотелескопов в качестве антенны, то есть устройства для улавливания радиоволн, применяется большая вогнутая чаша. Она действует в точности так же, как искривленное зеркало оптического телескопа-рефлектора, и чем больше ее диаметр, тем более слабый сигнал способна она уловить.

Если с помощью радиотелескопа хотят получить столь же детальные карты неба, какие дают оптические телескопы, то радиотелескоп должен превосходить оптический по размеру в той же пропорции, в какой радиоволны длиннее световых волн, то есть в десятки тысяч раз. Для этого потребовались бы гигантские вогнутые чаши диаметром во многие километры, что, очевидно, невозможно. Радиоастрономы решают эту проблему, соединяя между собой некоторое количество меньших антенн и направляя в компьютер их совместные наблюдения. В некоторых радиообсерваториях на обширной территории устанавливается огромный набор антенн. Кроме того, налаживают связь между антеннами, находящимися далеко друг от друга, в разных странах и даже на разных континентах.

Рис. 2

Чаша радиотелескопа собирает радиоволны в своем фокусе, где расположен приемник. Усиленный сигнал регистрируется и записывается в графическом виде. Таким образом, можно строить контурные карты различных участков неба.



Рис. 3. Радиотелескоп Ловелла в Джодрел-Бэнк, Великобритания.

2. Основные принципы

2.1 Основы радиолокации

Отражение радиоволн -- первая основа, первый принцип радиолокации. Не будь отражения радиоволн, не было бы и радиолокации.

Обнаруживаемая посредством радиолокации цель выдает себя тем, что отражает направленные на нее радиоволны. Пока никаких объектов в воздухе или на водной поверхности нет, радиоволны не встречают отражающих поверхностей, и специальные приемные аппараты не получают никаких сигналов. Стоит появиться цели, как она сейчас же отразит от себя волны, и приемные аппараты воспримут отражение.

Свойством отражать радиоволны обладают не только металлы, но и вообще все тела, способные проводить электрический ток. Земля, например, тоже отражает радиоволны: отражают радиоволны и горы, холмы, а также массивные сооружения -- здания, железнодорожные мосты, металлические башни, ангары и т. п.

Если радиоволны излучаются во все стороны равномерно, не направленно, то и отражения могут быть получены со всех направлений. Целью может стать ближайшая водонапорная башня в южном направлении и одновременно с ней -- элеватор на севере, самолет на западе и фабричная труба где-либо на востоке. Чтобы определить, где находится интересующая нас цель, нужно знать направление на нее или азимут (пеленг).

При направленном излучении отпадают всякие сомнения в отношении пеленга цели. Если радиолокационная станция излучает радиоволны направленно и при этом она же получает отражение, то цель, очевидно, находится именно в том направлении, куда излучаются волны.

Направленность составляет вторую основу радиолокации, второй ее принцип.

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.

Рис. 4.

Система координат обзорной РЛС: - азимут; - угол места; R - наклонная дальность.

РЛС такого типа используются на аэродромах. Работает эта станция в сферической системе координат.

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 для повышения дальности действия РЛС, повышают мощность передатчика. Столь высокой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС.

В радиолокации используются радиоволны с длиной волны, приходящейся на сантиметровый (реже дециметровый) и миллиметровый диапазоны. Сам же вид излучаемого сигнала оказывается достаточно прост. Как правило, это последовательность коротких во времени импульсов, следующих один за другим через время, много превосходящее длительность этих импульсов. Ширина спектра таких сигналов Дf в подавляющем большинстве случаев оказывается во много раз меньше несущей частоты излучаемого сигнала f₀, то есть у радиолокационных сигналов (за исключением особых случаев) отношение Дf /f₀ << 1. Для функций U(t), обладающих таким свойством (узкополосные сигналы), как это впервые показал Гильберт, допустимо представление

U(t) = A(t)cos(2рf₀ t + ц(t)),(1)

где A(t) и ц(t) - медленно за период высокой частоты Т = 2р/f0 меняющиеся во времени функции. Оказывается, такое на вид простое представление, каковым является выражение (1), несет в себе серьезную проблему, превращающую радиолокацию с точки зрения решения стоящих перед ней задач в класс особых наук, что крайне принципиально.

Отраженная радиоволна, естественно, будет также иметь вид, определяемый равенством (1). Если цель неподвижна, то частота отраженного сигнала не изменится, а изменения претерпят лишь его амплитуда и фаза.

Облучению подвергнутся также все остальные цели и, в частности, те из них, которые расположены на том же расстоянии от радиолокационной станции. Это значит, что независимо от ситуации наличия или отсутствия цели в общем случае на входе радиолокационного приемника всегда присутствует сигнал одного и того же вида - квазигармоническое колебание.

Принцип измерения координат.

Когда антенна локатора излучает зондирующий импульс, то требуется определенное время t₁, чтобы он дошел до цели. При скорости распространения волн с, много большей скорости перемещения цели V_ц, можно пренебречь смещением цели ДD за это время: если V_ц<<C то ДD=V_цt₁ << D = Ct₁.

Как только волны дойдут до цели, она становится вторичным излучателем, и часть энергии отраженных ею волн идет обратно к антенне локатора. Отраженный импульс дойдет до локатора за время t₂ - t₁ (что является следствием того же условия Vц<<C), поглотится его антенной и попадет на вход приемника. Энергия волн превращается в энергию электрического тока на входе приемника и усиливается для последующей передачи сигнала на индикаторы и измерительные устройства локатора. Заметьте, что здесь полезным процессом является уже поглощение антенной энергии волн, а не вторичное излучение, теперь ставшее вредным процессом!

Суммарное время t₁ + t₂ - 2t₁ есть время запаздывания t₃ отраженного импульса относительно зондирующего. При условии постоянства скорости распространения волн (что с высокой степенью точности справедливо для скорости света в атмосфере) измерение дальности в радиолокации сводится к измерению этого времени запаздывания согласно формуле D = C*t₃/2.

Рис. 5. Временные диаграммы.

Принцип измерения дальности в радиолокации временными диаграммами (рис. 5). В диаграмме Т -- период повторения, т. е. время, через которое передатчик посылает зондирующие импульсы; U_nep -- выходное напряжение (импульс) передатчика; U_пр -- отраженные импульсы на выходе приемника.

2.2 Основные характеристики

Разрешающая способность является важным параметром любого прибора, характеризующим его способность анализировать “тонкую структуру” входного воздействия. Если имеется в виду наблюдение некоторой пространственной картины, как в рассмотренном случае радиолокации или для оптических приборов, то разрешающая способность связана с возможностью различения наиболее мелких деталей этой картины: чем более мелкие детали могут быть выделены, тем выше разрешающая способность данного прибора или метода наблюдения. Казалось бы, мы имеем даже определенное преимущество по сравнению с наблюдением в оптическом диапазоне, где объект характеризуется двумя числами: яркостью (коэффициентом отражения) и цветом (какая-либо количественная характеристика цвета). Однако дело обстоит далеко не так. Прежде всего, замечу, что в подавляющем большинстве используемых на практике радиолокационных станций (РЛС) измеряемым параметром является всего лишь одно единственное число - коэффициент отражения. Однако это не самое главное при сравнении с оптическими устройствами. Главное же состоит в следующем. В любой рассматриваемый момент времени на входе приемного устройства формируются сигналы, порожденные радиоволнами, отраженными от различных целей, находящихся на одинаковом расстоянии R от точки приема. Прием отраженных радиоволн антенной в основном осуществляется в пределах некоторого телесного угла Д, для количественной оценки которого можно использовать два плоских угла Дб и Дв в двух взаимно перпендикулярных сечениях этого телесного угла. (Величина каждого из углов Дб и Дв определяется отношением l/d длины волны к линейному размеру антенны d в соответствующих сечениях. Таким образом, на выходе приемной антенны возникают токи, обязанные своим происхождением электрическим и магнитным токам, возбужденным падающей волной на прямоугольной площадке с линейными размерами RДб * RДв, находящейся от антенны на расстоянии R. Принципиальное отличие оптики от радиолокации заключается в размерах этой площадки. Для больших наземных радиолокационных станций углы Дб и Дв составляют десятки угловых минут, что соответствует отношению l/d порядка (3 - 5) - 10 -3. На расстоянии 50 км от антенны для этого случая линейный размер площадки составит величину порядка 400 - 600 м. В данном примере речь идет об очень больших и весьма редких антеннах. Для большинства же антенн сантиметрового диапазона отношение l/d примерно равно 0,03 - 0,05, что на порядок хуже приведенного примера. Для оптики при диаметре антенны всего лишь в 1 см искомое отношение составляет величины порядка 10-5, а поэтому размеры рассматриваемой площадки для оптики оказываются принципиально иными.

Наиболее общепринятым критерием, позволяющим количественно оценивать разрешающую способность, является критерий Рэлея. Первоначально он был установлен как условие раздельного наблюдения двух точечных источников света (разрешение двойной звезды), Рэлей предложил для количественной характеристики разрешающей способности телескопа использовать минимальное угловое расстояние между двумя точечными источниками, начиная с которого суммарная дифракционная картина будет иметь два максимума.

Не вдаваясь в подробности, а сославшись лишь на Рэлея, следует отметить, что все объекты, расположенные вдоль одного направления в пределах дальности, равной C*t/2, будут восприниматься наблюдателем как один объект (здесь C - скорость света, t - длительность зондирующего импульса). Для ориентировки проведем оценочный расчет этой величины. Если использовать обычный радиолокатор, то для него длительность импульса следует принять равной на уровне 1 мкс; это для искомого размера даст величину порядка 150 м, что весьма существенно. Таким образом, все объекты, находящиеся в пределах параллелепипеда с размерами RДб * RДв * Ct/2 (этот параллелепипед носит название разрешаемого объема, или элемента разрешения) будут восприниматься как одна цель. Из проблемы уменьшения этого объема вытекают почти все проблемы радиолокации.

Как мы видим, в радиолокации разрешающая способность также определяется по критерию Рэлея, хотя нельзя не заметить, что рэлеевская характеристика разрешающей способности несколько условна. С принципиальной точки зрения для правильной оценки разрешающей способности надо учитывать мешающие воздействия случайного характера, испытываемые прибором во время работы. Следовательно, разрешающей способностью, строго говоря, является способность различать детали с заданной вероятностью ошибок.

После вышесказанного должно быть понятно, почему в радиолокации используются ультракороткие радиоволны, длины которых лежит в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

1. На ультракоротких волнах получаются приемлемые размеры антенн радиолокаторов, обладающих узкой диаграммой направленности. Тем самым обеспечивается хорошее разрешение по углам, повышается интенсивность облучения целей и мощность принимаемых сигналов.

2. Размеры обычных целей (самолеты, корабли) достаточно велики по сравнению с применяемыми длинами волн, что благоприятствует увеличению интенсивности отраженных сигналов.

3. Нельзя сформировать импульс (цуг) короче хотя бы десятка длин волн, поэтому чем меньше л, тем легче обеспечить формирование достаточно короткого импульса, а значит, получить хорошее разрешение по дальности.

4. Ультракороткие волны слабо поглощаются атмосферой независимо от погоды.

Диаграмма направленности.

От размеров и структуры излучателя зависит не только его эффективность, но и распределение излучаемых им волн по различным направлениям -- диаграмма направленности излучателя. Существует общая теорема обратимости, согласно которой такая же диаграмма характеризует и величину колебаний, возбуждаемых в приемной антенне при попадании на нее волн, приходящих из различных направлений. Относительная интенсивность волн отображается величиной отрезка, проведенного в начало координат по заданному направлению до пересечения с кривой диаграммы направленности, если величину такого отрезка, а направлении максимума принять за единицу.

В качестве примера на (рис. 6) показана диаграмма направленности полуволнового излучателя (вибратора):

а) в меридиональной плоскости (в которой лежит излучатель)

б) в экваториальной плоскости (перпендикулярной вибратору, а, значит, и направлению колебаний в нем).

Рис. 6. Диаграммы направленности полуволнового вибратора.

Видно, что электромагнитный полуволновой вибратор не излучает вдоль направления колебаний в нем и, наоборот, максимально излучает в перпендикулярном направлении. В экваториальной плоскости излучение вибратора равномерное.

В самом общем случае линейный размер антенны d и длина волны л определяют угловую ширину главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности (рис. 7):

б _радиан

В частности, такова ширина диаграммы направленности антенны с параболическим отражателем, в фокусе которого расположен облучатель, например, в виде полуволнового вибратора.

Направленность излучения антенн изображают графиком или диаграммой.

Диаграмма направленности вертикального вибратора.

Радиовещательные станции, передачи которых предназначены для всех, а не для какого-либо одного приемного пункта, в большинстве случаев имеют также ненаправленные антенны.

Другой случай. Антенна излучает неравномерно: в одну сторону больше, в другую меньше. Степень вытянутости указывает степень направленности: резче направленность -- больше вытянутость. Так, по мере возрастания направленности диаграмма (рис. 7), первоначально напоминавшая очертания яблока или вишни, приобретает форму груши, в дальнейшем все более начинает походить на сигару или дирижабль и затем на булавку.

2.3 Пассивные и активные системы радиолокации

Активная радиолокация является всевидящей: как бы ни “притаилась” цель, то есть при полном ее радиомолчании, она все равно будет обнаружена, так как подвергается мощному “освещению” зондирующими импульсами передатчика радара. Однако мы уже видели, что по зондирующим импульсам можно обнаружить и сам радар со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями.

Вот почему наряду с активной радиолокацией создана и успешно развивается “молчаливая”, пассивная неизлучающая радиолокация, т.е. средства определения местоположения цели по ее собственным радио излучениям. Важным обстоятельством, способствующим успеху этого направления развития, является то, что даже при отсутствии работающего радиопередатчика всякий объект является источником радиоволн просто вследствие нагрева. Дело в том, что спектр теплового излучения -- очень широкополосный и включает в себя также и диапазон радиоволн. Поэтому в пассивной радиолокации можно выделить радиотеплолокацию.

Мощность теплового излучения в радиодиапазоне тем больше, чем выше температура тела и чем короче длина волны, т.е. в сантиметровом диапазоне излучается большая мощность, чем в дециметровом и т.д. Поэтому в более коротковолновом диапазоне радио теплолокатор оказывается более “дальнобойным”. Основной частью радио теплолокатора является приемник, называемый радиометром. По своим свойствам радиотепловые сигналы не отличаются от внутренних шумов приемника, и об их наличии можно судить только по увеличению мощности шума по сравнению с отсутствием сигналов. Это и приводит к необходимости применения специфических схем для обнаружения таких сигналов, существенно отличающих радиометры от обычных радиолокационных приемников. Кстати, такие же радиометры применяются и в радиоастрономии.

2.4 Задачи решаемые радиолокацией

Некоторое представление об областях применения РЛС может дать приводимый ниже перечень.

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.

Геофизика и география. Определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология, 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.

Военное дело, гражданская авиация и космические исследования. Метеорологическое обеспечение полетов, управление воздушным движением, обеспечение ближней и дальней радионавигации, радиолокационное обеспечение посадки воздушных судов и космических аппаратов, обеспечение дальнего и ближнего обнаружения воздушных целей и наведения на них перехватчиков, обеспечение перехвата воздушных целей и прицеливания, панорамный обзор поверхности, распознавание государственной принадлежности летательных аппаратов, обеспечение радиолокационного сопровождения воздушных и наземных объектов и т.д.

3. Радиолокационная техника

Рассмотрим структурные схемы простейших радиолокаторов. Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Именно по такому принципу (рис. 8) были построены первые «радиоуловители» самолетов. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую Апер и приемную Апр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). На его выходе включаются либо наушники, либо частотомер.

Рис. 8. Структурная схема простейшего радиолокатора.

Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера (эффект Доплера - изменение длины волны l (или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). При приближении источника к приемнику l уменьшается, а при удалении растет на величину

l - lо = vlо/c,

где lо - длина волны источника,

c - скорость распространения волны,

v - относительная скорость движения источника.)

При радиолокации эффект Доплера проявляется вдвое сильнее. Самолет, летящий навстречу излучаемой локатором волне, встречает более частые колебания электромагнитного поля. Переизлучая их во время движения, он еще повышает их частоту. При удалении же самолета от локатора частота отраженного сигнала понижается. В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отраженный от цели. В смесителе они взаимодействуют, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской

Fд=2foV/C

где fo - частота излучаемого сигнала;

С - радиальная скорость цели;

V - скорость радиоволн, равная скорости света.

Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т.е. ввести в генератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить дальность. Первую опытную установку, действующую по такому принципу, построил известный ученый Б.К. Шембель и использовал ее при локации Крымских гор. Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала будет изменяться также, но с запаздыванием на некоторое время t, время распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика в какой - то момент t 1 равна f 1, то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t1 + t успеет измениться до значения f 1 + f, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой f.

Рис. 9. Временная диаграмма эффекта Доплера

Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - модулированные локаторы нашли свое применение в авиации, на судах, а также для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, обеспечивающие очень хорошую точность определения дистанции.

Наибольшее распространение получил импульсный способ определения дальности. Работой импульсного локатора (рис. 10) 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 ко входу приемника (Пр).

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 т.н. 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.

Рис. 10. Структурная схема импульсного радиолокатора.

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.

4. Конструкция отдельных элементов РЛС

Мощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диапазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как правило, триодах (рис. 11). Но колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни мегагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощностью колебаний. Поэтому катушка вырождается в отрезок двухпроводной линии, выполненной из толстых медных трубок. Линия настраивается передвижным короткозамкнутым мостиком. Симметричная линия лучше всего совмещается с двухтактным генератором:

Рис. 11 Схема электрическая принципиальная генератор высокой частоты

Конденсатора в контуре нет - его роль выполняют междуэлектродные емкости ламп. Через них осуществляется и обратная связь. Часть переменного анодного напряжения через емкость анод - катод возбуждает другой контур - линию, включенную между катодами ламп. Ее настройкой подбирают нужную для возбуждения колебаний фазу напряжения обратной связи. Сетки ламп заземляют по высокой частоте. Отбор мощности ВЧ колебаний осуществляют петлей связи, расположенной вблизи анодной линии. Напряжение анодного питания подают на короткозамкнутый мостик этой линии через ВЧ дроссель (катушку индуктивности), изолирующий источник питания от ВЧ колебаний. Генератор будет работать в импульсном режиме, если его питать не постоянным анодным напряжением, а мощными высоковольтными импульсами. Они генерируются в устройстве с тиратроном - газоразрядной лампой, поджигаемой управляющим импульсом. Пока тиратрон погашен, накопительный конденсатор С заряжается через дроссель с большой индуктивностью L от высоковольтного источника. Ток заряда невелик, а время заряда может достичь периода повторения импульсов. Короткий запускающий импульс поджигает тиратрон, и генератор ВЧ оказывается подключенным к накопительному конденсатору, заряженному до высокого потенциала (десятки киловольт). Генерируется очень короткий радиоимпульс, причем анодный ток ВЧ генератора может достичь десятков ампер. Заряд конденсатора расходуется в течение нескольких микросекунд или даже долей микросекунды, генерация прекращается, и тиратрон гаснет. Конденсатор С снова начинает медленно заряжаться через дроссель L. Если бы ВЧ генератор работал при такой мощности несколько дольше, то электроды лампы неминуемо расплавились бы, выгорели или испарились. Только благодаря краткости импульсов ничего этого не происходит, а средняя мощность генератора оказывается для него невысокой и вполне безопасной.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с ним - и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце; например, может использоваться отрезок коаксиального кабеля. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е. отношению его анодного напряжения к анодному току. В момент поджигания тиратрона вдоль длинной линии пойдет волна напряжения, разряжающая линию. Процесс закончится, когда волна напряжения, отразившись от разомкнутого конца линии, вернется к аноду тиратрона. Линия будет разряжена полностью, и тиратрон погаснет. Таким образом, длительность импульса определяется длинной линии и равна отношению удвоенной длины линии к скорости распространения волн в ней. Генераторы модулирующих импульсов с искусственными длинными линиями получили самое широкое распространение в радиолокационной технике.

Для перехода к дециметровым и сантиметровым волнам ВЧ генератор с двухпроводными линиями оказался непригодным, поскольку длина линии составляет менее четверти длины волны. Кроме того, время пролета электрона в лампе оказывается больше периода колебаний, что полностью нарушает работоспособность триода. Выход был найден в использовании объемного резонатора. Объемный резонатор - ограниченный объем, внутри которого могут возбуждаться электромагнитные колебания. Обычно объемный резонатор - замкнутая полость с проводящими стенками, форма и размеры которой определяют частоту колебаний и конфигурацию электрических и магнитных полей, бывают прямоугольные, цилиндрические, тороидальные и др. форм. Объемным резонатором является также объем, заполненный средой с др. электрическими и магнитными свойствами. Применение объемных резонаторов позволило повысить резонансную частоту ВЧ контура, не уменьшая его размеров.

В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принципиально новых генераторов сантиметровых волн - клистронов и магнетронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как это происходит в электронно-лучевой трубке. Луч проходит последовательно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же частоту. Если к первому резонатору подвести СВЧ колебания, луч окажется промодулированным по скорости. Электроны, пролетевшие резонатор за один полупериод колебаний, ускоряются, поскольку электрическое поле разгоняет их, а электроны, пролетевшие за второй полупериод, замедляются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшается. По пути ко второму резонатору электроны сгруппировываются в «пакеты», поскольку быстрые электроны догоняют медленные. На еще большем расстоянии пакеты электронов снова рассеиваются. В том месте, где происходит группировка электронов стоит второй резонатор и возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного заряда. Энергия колебаний, отдаваемая электронами во второй резонатор, оказывается намного больше энергии, затраченной на модуляцию электронного луча. По такому принципу действует клистрон - усилитель. Его нетрудно превратить в генератор: достаточно часть энергии из второго резонатора направить обратно, в первый. В отражательном клистроне генерация осуществляется несколько иначе. Он содержит только один резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются обратно специальным электродом - отражателем, на который подан отрицательный потенциал. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны долгие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках. Большую колебательную мощность отдает магнетрон - многорезонаторное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезерованными в нем резонаторами. Каждый резонатор открывается в сторону катода щелью. Вся конструкция помещается между полюсами мощного электромагнита так, чтобы магнитное поле было направлено по оси катода. На анод должно подаваться высокое положительное напряжение. Магнетроны дали возможность генерировать очень большие импульсные мощности на сантиметровых волнах, благодаря чему резко повысилась дальность действия и точность РЛС.

Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее распространение получил супергетеродин (рис. 12) с кристаллическим смесителем (СМ) на выходе. Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью р - п перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного гетеродина, собранного на маломощном отражательном клистроне. Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых импульсов на значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота выбирается в диапазоне 30...100 МГц, т.е. там, где сравнительно несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов.

Рис. 12. Схема супергетеродинного приемника РЛС

Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ. Оно может достигать 10⁶. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, различные системы автоматической регулировки усиления. На входе приемника сильные сигналы от близких объектов и слабые от далеких целей могут различаться на 100...120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20...30 дБ, и тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Последними элементами структурной схемы приемника являются детектор и усилитель видеоимпульсов.

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.

5. Перспективы развития радиолокации

В наше время радиолокация получила широчайшее применение. Ее методы и средства используются для обнаружения объектов и контроля обстановки в воздушном, космическом, наземном и надводном пространствах. Современная техника позволяет с большой точностью измерять координаты положения самолета или ракеты, следить за их движением, определять не только формы объектов, но и структуру их поверхности. Радиолокационные методы открывают возможность изучать недра Земли и даже внутренние неоднородности поверхностных слоев на других планетах. Но если говорить о чисто "земных делах" - гражданском и военном применении радиолокации, то ее методы незаменимы, например, в организации управления воздушным движением, наведении, распознавании объектов, определении их принадлежности.

В зависимости от конкретного назначения современные радиолокационные станции (РЛС) имеют характерные особенности. Из всего их разнообразия значительную долю составляют РЛС обнаружения. Связано это с тем, что радиолокационный метод обнаружения является основным как на Земле, в воздухе, на море, так и в космосе. С помощью радиолокации производится так называемая пространственная селекция - обнаружение объекта по отраженному сигналу, временная селекция, когда по задержке возвращения отраженного сигнала устанавливается дальность до цели. Существует еще понятие частотная селекция, позволяющая отслеживать по изменению частотного спектра сигнала радиальную скорость наблюдаемого объекта.

Современные РЛС, как правило, трехкоординатные. Они определяют дальность, угол места и азимут. При этом применяются антенны, имеющие узкие диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Чтобы обеспечить заданные точности определения угловых координат и не увеличивать время обзора, применяется метод параллельно-последовательного обзора пространства, когда одновременно используется несколько лучей, а зона перекрывается последовательным перемещением этих лучей, что позволяет сократить количество приемных каналов. Каким же образом можно избежать мешающих отражений от местных предметов и неоднородностей в атмосфере? Здесь, в арсенале радиолокации, - режим селекции по частоте. Его суть состоит в том, что движущийся относительно РЛС объект отражает сигнал со сдвигом по частоте (эффект Доплера). Если этот сдвиг составляет даже всего 10^-7 от значений несущей частоты, то современные методы обработки выделят разницу и радиолокатор "увидит" цель. Это обеспечивается благодаря поддержанию необходимой стабильности сигналов или, как говорят специалисты радиолокации, сохранению их когерентности. Это важно, например, потому, что объекты, вызывающие мешающие отражения, часто не являются неподвижными (раскачиваются деревья, наблюдается волнение по водной поверхности, перемещаются облака и т. п.). Такие отраженные сигналы также имеют сдвиг по частоте. Чтобы расширить возможности РЛС, применяют различные режимы работы станций и их сочетания. При амплитудном режиме удается добиться большей дальности действия РЛС и определять цели, движущиеся с нулевой радиальной скоростью. Такой метод обычно используется для обзора в дальней зоне, где нет мешающих отражений. Когерентный режим применяют в ближней зоне обзора, где много мешающих отражений.

...