§ 5.15. радиолокация

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.

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.

Эффект вторичной модуляции в проблеме повышения информативности радиолокационного наблюдения

Надежное распознавание — основа разумных действий — одна из важнейших государственных проблем, актуальность которой не снижается, а скорее возрастает в связи с успехами в области демилитаризации и гуманизации международных отношений

Несмотря на постоянное внимание, уделяемое этой проблеме, она долгое время не находила приемлемых для практики решений. Причина — низкая информативность традиционных траекторных и сигнальных методов распознавания, а также высокая сложность и стоимость технической реализации радиолокационных систем (РЛС), позволяющих получать поляризационные, дальномерные или картинные портреты целей

Серьезным препятствием здесь является и проблема эталонов.

Широкие перспективы практического решения проблемы распознавания, контроля действий и оценки состояний целей на подавляющем большинстве стоящих на вооружении РЛС открыла разработка в Минском ВИЗРУ ПВО (ныне Военная академия Республики Беларусь) и ОсТБ НИИСА (НПО «Агат» г. Минск) ныне НП РУП «СКБ Камертон» (г. Минск) научными коллективами под руководством Т.И. Шеломенцева и В.П. Долгова методов и устройств РРКДС целей на основе эффекта вторичной модуляции (ВМ) отраженных сигналов . Под вторичной модуляцией понимают дополнительную (по отношению к передающему устройству) модуляцию сигнала, возникающую в радиоканале в процессе вторичного излучения объектов радиолокационного наблюдения — целей.

В условиях осознанной объективной потребности практического решения задачи радиолокационного распознавания целей в системе ПВО это привело к развертыванию с 1969 г. в Минском ВИЗРУ ПВО целенаправленных работ по исследованию закономерностей и направлений практического использования ВМ радиолокационных сигналов, разработке и внедрению систем распознавания на их основе. Существенную роль в относительно быстром внедрении таких методов распознавания играет то, что для этого не требуется доработка приемо-передающих трактов существующего парка РЛС и не так остро стоит проблема эталонов. Большой практический и теоретический интерес к исследованию эффекта ВМ связан не только с возможностью решения на его основе широкого круга практических задач (рис. 1 — 3 ), но также и с тем, что он оказывает влияние на эффективность решения всех задач радиолокационного наблюдения и наведения управляемого оружия.

О высоком научно-техническом уровне и значимости выполненных исследований и разработок красноречиво говорит присуждение основным их исполнителям Государственной премии СССР в области науки и техники.

Дальность действия РЛС

Основная статья: Основное уравнение радиолокации

Максимальная дальность действия РЛС зависит от ряда параметров и характеристик как антенной системы станции, мощности излучаемого сигнала, и чувствительности приёмника системы.
В общем случае без учёта потерь мощности в атмосфере, помех и шумов дальность действия системы можно определить следующим образом:

Dmax=PnDaSaσ(4π)2Pn.min4{\displaystyle D_{max}={\sqrt{\frac {P_{n}D_{a}S_{a}\sigma }{\left(4\pi \right)^{2}P_{n.min}}}}},

где:

Pn{\displaystyle \;P_{n}} — мощность генератора;

Da{\displaystyle \;D_{a}} — коэффициент направленного действия антенны;

Sa{\displaystyle \;S_{a}} — эффективная площадь антенны;

σ{\displaystyle \;\sigma } — эффективная площадь рассеяния цели;

Pn.min{\displaystyle \;P_{n.min}} — минимальная чувствительность приёмника.

При наличии шумов и помех дальность действия РЛС уменьшается.

Работа нескольких РЛС в одном частотном диапазоне

На загруженных участках, где одновременно используются многочисленные РЛС (например, морские порты) вероятны совпадения частотных диапазонов. Это приводит к приему РЛС сигнала другой РЛС. В результате на экране появляются дополнительные точки, бросающиеся в глаза из-за своей геометрической правильности. Эффект может быть убран переходом на другую рабочую частоту.

Мнимое изображение

При отражении радиосигнала от массивного объекта возможно дальнейшее распространение к меньшим объектам с последующим отражением и попаданием в РЛС. Таким образом, путь, который прошел сигнал становится больше и на экране появляется мнимое изображение объекта, который на самом деле находится в другом месте

Такой эффект должен приниматься во внимание при нахождении вблизи крупных отражающих объектов, таких как мосты, гидротехнические сооружения и крупные суда.

Многократное отражение

При размещении РЛС на большом судне возможен эффект многократного отражения сигнала. Сигнал РЛС отражается от близкого объекта, частично попадает обратно в РЛС, а частично отражается от корпуса суда. Таких отражений может быть много, амплитуда при каждом отражении уменьшается и сигнал будет восприниматься до тех пор, пока не будет достигнута пороговая чувствительность приемника. На экране радара будут видны несколько уменьшающихся с каждым разом объектов. Расстояние между ними пропорционально расстоянию от РЛС до объекта.

Атмосферные потери особенно велики в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и вызываются дождем, снегом и туманом, а в миллиметровом диапазоне также кислородом и парами воды.
Наличие атмосферы приводит к искривлению траектории распространения радиоволн (явление рефракции). Характер рефракции зависит от изменения коэффициента преломления атмосферы при изменении высоты. Из-за этого траектория распространения радиоволн искривляется в сторону поверхности земли.

Пассивная радиолокация

Пассивная радиолокация основана на приеме радиоволн, излучаемых объектом. По этому принципу осуществляется радиопеленгация самолетов или кораблей, имеющих радиопередатчики, а также работа радиотелескопов, улавливающих излучение небесных тел.
 

Пассивная радиолокация имеет много общего с тепловой локацией, в которой используется инфракрасная область спектра с длиной волны Я, l — j — 5 мкм. Для улавливания энергии в тепловых локаторах применяется линзовая или зеркальная оптическая система, которая фокусирует лучистый поток на чувствительном элементе. Преобразование энергии инфракрасного излучения в электрический сигнал осуществляется болометрами или фотосопротивлениями.
 

Поэтому пассивная радиолокация тесно связана с радиопеленгацией — отраслью радионавигации, основанной на использовании методов и средств определения направления на объекты, имеющие источники радиоизлучения.
 

В пассивной радиолокации сигналом, принимаемым РЛС, является естественное излучение объектов в радиодиапазоне преимущественно теплового происхождения, поэтому пассивную радиолокацию называют также радио-теплолокацией. Таким образом, в этом случае, так же как и в активной радиолокации, для обнаружения объектов и определения их координат применяют радиосигнал.
 

В пассивной радиолокации объектами обработки являются случайные волновые поля, создаваемые тепловым излучением тел. Поэтому пассивную радиолокацию называют радиотеплолокацией или радиометрией. Радиометры работают в инфракрасной, миллиметровой и сантиметровой областях электромагнитного спектра.
 

В пассивной радиолокации используется собственное тепловое электромагнитное излучение объектов в радиообластях спектра. Это излучение поступает в приемник РЛС для определения угловых координат цели.
 

Для измерения дальности и радиальной скорости в пассивной радиолокации применяются косвенные методы.
 

В зависимости от способа образования радиосигналов, несущих информацию о цели, различают активную, полуактивную и пассивную радиолокацию. При активной радиолокации передатчик и приемник находятся в одном месте. Отраженные колебания поступают в приемник.
 

В пассивной радиолокации сигналом, принимаемым РЛС, является естественное излучение объектов в радиодиапазоне преимущественно теплового происхождения, поэтому пассивную радиолокацию называют также радио-теплолокацией. Таким образом, в этом случае, так же как и в активной радиолокации, для обнаружения объектов и определения их координат применяют радиосигнал.
 

Подобный метод получения радиосигналов применяется как в радиолокации ( определение угловых координат передатчиков помех, наблюдение теплоконтрастных целей на поверхности Земли) и называется пассивной радиолокацией, так и в радионавигации ( определение угловых координат радиомаяков, приводйых радиостанций и др..
 

В зависимости от природы возникновения электромагнитных волн, достигающих антенны РЛС и доставляющих информацию об объекте радиолокационного наблюдения, различают активную, полуактивную, активную с активным ответом и пассивную радиолокацию.
 

Наряду с рассмотренными активными РЛС находят применение пассивные системы. Пассивная радиолокация применяется для определения угловых координат целей. Она основана на приеме теплового излучения целей в диапазонах сантиметровых, миллиметровых и децимиллиметровых волн.
 

В пассивной радиолокации объектами обработки являются случайные волновые поля, создаваемые тепловым излучением тел. Поэтому пассивную радиолокацию называют радиотеплолокацией или радиометрией. Радиометры работают в инфракрасной, миллиметровой и сантиметровой областях электромагнитного спектра.
 

Радиоастрономия

Посланные с поверхности земли радиоволны также отражаются от объектов в ближнем и дальнем космосе, как и от околоземных целей. Многие космические объекты невозможно было полноценно исследовать лишь с использованием оптических инструментов, и только применение радиолокационных методов в астрономии позволило получить богатую информацию об их природе и структуре. Впервые пассивная радиолокация для исследования Луны была применена американскими и венгерскими астрономами в 1946 году. Примерно в то же время были случайно приняты и радиосигналы из космического пространства.

У современных радиотелескопов приемная антенна имеет форму большой вогнутой сферической чаши (подобно зеркалу оптического рефлектора). Чем больше ее диаметр, тем более слабый сигнал антенна сможет принять. Часто радиотелескопы работают комплексно, объединяя не только устройства, расположенные недалеко друг от друга, но и находящиеся на разных континентах. Среди важнейших задач современной радиоастрономии — изучение пульсаров и галактик с активными ядрами, исследование межзвездной среды.

Алгоритм определения дальности и направления

Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере составляет 300 тыс. км/с. Поэтому, зная время, затраченное транслируемым сигналом на преодоление расстояния от станции до цели и обратно, легко вычислить удаленность объекта. Для этого необходимо точно зафиксировать время отправки импульса и момент принятия отраженного сигнала.

Для получения информации о местонахождении цели используется остронаправленная радиолокация. Определение азимута и элевации (угла места или возвышения) объекта производится антенной с узким лучом. Современные РЛС используют для этого фазированные антенные решетки (ФАР), способные задавать более узкий луч и отличающиеся высокой скоростью вращения. Как правило, процесс сканирования пространства совершается минимум двумя лучами.

Вторая Мировая война

Вторая Мировая война позволила в полной мере проверить боевые качества радиолокационной техники в операциях на суше, в воздухе и на море, что предопределило формирование в вооруженных силах радиотехнических частей и подразделений.

С началом Великой Отечественной войны требования к средствам радиообнаружения для ПВО встали не формально в виде абстрактных тактико-технических условий, а как предельно ясная и зримо осязаемая каждым разработчиком необходимость помочь борьбе с авиацией врага. Радиолокационная промышленность тогда у нас почти отсутствовала. Но двигаться вперёд без радиолокационной аппаратуры было немыслимо.

4 июля 1943 г. вышло постановление Государственного Комитета обороны о создании Совета по радиолокации при ГКО. На следующий день после подписания этого постановления началась знаменитая Курская битва. А.И. Берг рассказывал:

Академик АН СССР, адмирал-инженер Аксель Иванович Берг

Председателем Совета был назначен член ГКО Г.М. Маленков. Инициатором создания этого Совета был Аксель Иванович Берг, он же был назначен заместителем председателя совета по радиолокации. Это постановление в истории советской радиолокации явилось важнейшим государственным актом, так как с образованием совета по радиолокации руководство развитием этой важнейшей отрасли техники и осуществление большого комплекса необходимых мероприятий было сосредоточено в одном месте и проводилось по непосредственным указаниям ЦК ВКП(б).

Принцип действия

Радиолокация основана на следующих физических явлениях:

• Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектами с другими электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отражённая волна, также, как и собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
• На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность и угловые координаты цели (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники — Распространение радиоволн. В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения).
• Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых колебаний при взаимном перемещении точек приёма и излучения (эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
• Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение, свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.

Радиолокация

Подробности

Просмотров: 476

«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