Радиолокация

Радиолокация - область науки и техники, предмет которой - наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, распознавание, определение их координат и скорости и др.

Различают активную и пассивную радиолокации. При активной радиоло-кации объект облучается радиоволнами, посылаемыми РЛС, в результате чего возникают сигналы от объекта. Активная радиолокация, в свою очередь, подраз-деляется на радиолокацию с пассивным и активным ответами.

При радиолокации с пассивным ответом обнаружение производят по сиг-налу, отраженному от объекта после облучения его электромагнитными волна-ми. В этом случае сигнал, излучаемый РЛС, называют зондирующим, а сигнал, приходящий от цели, - отраженным или эхо-сигналом. Значение отраженного сигнала зависит от отражающих свойств объекта.

При радиолокации с активным ответом обнаружение производят по сиг-налу, ретранслированному объектом. При этом прямой сигнал называют запро-сным, а сигнал приходящий от цели, - ответным. Ретрансляционную аппаратуру, находящуюся на объекте, именуют ответчиком. Интенсивность ответного сигна-ла зависит от мощности установленного на объекте ретрансляционного передат-чика. Дальность действия этих РЛС намного больше дальности действия РЛС с пассивным ответом. Однако такие РЛС могут работать только со «своими» объ-ектами. Их в основном используют для сопровождения ракет и других объектов, обладающих слабыми отражающими свойствами, а также для опознавания «сво-их» объектов.

Пассивная радиолокация основана на приёме собственного радиоизлуче-ния объектов. РЛС с пассивной радиолокацией не имеет передатчика. Она имеет лишь направленную приёмную антенну, улавливающую излучения объекта, при-ёмник, усиливающий принятые радиосигналы, и устройства, с помощью кото-рых происходят регистрация и анализ этих сигналов. Такие РЛС используют для исследования явлений, происходящих в космическом пространстве (радиотеле-скопы), а также для определения местоположения кораблей и самолетов по ра-диомаякам (радиопеленгация).

Основной является активная радиолокация, которая в дальнейшем имену-ется просто радиолокацией. В радиолокации применяют РЛС с непрерывным и импульсным излучением энергии.

Еще А.С. Попов заметил, что радиоволны имеют способность отражаться. На этом и основан принцип действия радиолокационной станции. Мощный луч радиолокационного передатчикам фокусируется большой антенной в направле-нии исследуемого объекта, фиксируется и изучается отраженный радиосигнал, на основе чего делаются выводы о тех или иных характеристиках объекта. Пер-вые 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 ле-том 1934 года группа энтузиастов, среди которых были Б. К. Шембель, В.В. Цимбалин и П. К. Ощепков, представила членам правительства опытную уста-новку. 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 удо-стоены Государственной премии СССР. Дальнейшие разработки были направле-ны в основном на увеличение дальности действия и повышение точности опре-деления 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 радиолока-ционной техникой открылись новые сферы применения во многих отраслях на-родного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение. Ра-диолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы и поверх-ность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и обнаруживают скопления грозовых облаков.

Определение координат цели радаром производится с учетом выбранной системы координат. Выбор той или иной системы координат связан со сферой применения радиолокационной установки. Например, наземная радиолокацион-ная станция (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой измеряет три коорди-наты цели: азимут, угол места и наклонную дальность (полярная система коор-динат).

Рис.1. Система координат обзорной РЛС

 - угол места,  - угол азимута, R – наклонная дальность

Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирова-ния) 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 сле-дящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.

Удаленность того или иного объекта определяется по запаздыванию от-раженного сигнала относительно излучаемого. Запаздывание сигнала очень ма-ло, 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, по-лучается, 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 регист-рировать объекты, расположенные как на больших, так и на малых расстояниях от наблюдателя. Существует единственное существенное ограничение примене-ния 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 шу-мов иного происхождения зачастую крайне затруднительно. Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физи-ческих соображениях. Если в какой - то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R , будет пропорционален Р/4R2. В знаменателе стоит площадь сферы радиусом R, окру-жающей источник. Таким образом, при обычной радиосвязи мощность, принятая антенной, обратно пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимости пучка энергии - выполняется всегда при распростра-нении волн в свободном пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз, (этот коэффи-циент называется коэффициентом направленного действия антенны, КНД), квад-ратичная зависимость от расстояния сохранится. Но в радиолокации радиосиг-нал преодолевает двойные расстояния, а сама облучаемая цель рассеивает энер-гию по всем направлениям, и если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в два раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Столь высо-кой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС.

В РЛС с фазовым методом измерения дальности, характерно непрерыв-ное зондирующее излучение. В этом случае о расстоянии до объекта судят по изменению фазы сигнала генератора масштабной частоты (ГМЧ) за время рас-пространения электромагнитных волн до объекта и обратно. В фазометре (Ф) рис.2 сравниваются две волны: прямая, поступающая непосредственно от ГМЧ, и отраженная, поступающая с выхода приемника (Пр) после отражения от объ-екта. Эти радиоволны имеют различные фазы.

Рис.2 Структурная схема фазового метода измерения дальности

Пусть напряжение, вырабатываемое ГМЧ, изменяется по закону

Umax=Um*sin(t+0),

Где 0 – начальная фаза;  - масштабная частота ГМЧ. Этим напряжением модулируются колебания генератора высокой частоты (ГВЧ), ко-торые излучаются в пространство. Тогда напряжение отраженного сигнала на выходе приемника (Пр)

Uотр= Um отр* sin[(t - t0)+0] = Um отр* sin(t - t0+0), где t0 – сдвиг фаз между прямым и отраженным сигналами.

В этой формуле не учитываются запаздывание фазы сигнала в цепях РЛС и сдвиг фаз, возникающий при отражении от объекта. Эти параметры постоянны и могут быть получены экспериментальным путем. Поскольку t0 = 2D/c, то

 = 2D/c = 4fD/.

Из этой формулы следует, что сдвиг фаз между прямым и отраженным сигналами зависит от дальности до объекта и частоты колебаний, генерируемых ГМЧ.