Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами . Радиоволны делятся на группы.

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой . Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой лежит на высоте 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны.

Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. Различают слои ионосферы D, Е и F Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Введение в радиолокацию.

Введение

Решение огромного количества задач с заданной эффективностью невозможно без использования радиолокационной техники, физические принципы действия которой основаны на рассеянии радиоволн объектами, метеообразованиями и другими неоднородностями (далее объектами), отличающимися своими электрическими характеристиками (электрической проницаемостью ε, диэлектрической проницаемостью μ и электропроводностью σ).

Интенсивность и другие неэнергетические характеристики рассеяния или отражения радиоволн (интенсивность вторичного поля) зависят:

От степени отличия характеристик облучаемых объектов и среды распространения радиоволн (РРВ),

От формы объектов,

Соотношения их размеров l и длины волны λ

От поляризации радиоволн.

Именно эти характеристики интересны с прикладной точки зрения.

Поэтому рассмотрение основных понятий, используемых в радиолокации, является весьма актуальным.

Для достижения поставленных целей рассмотрим следующие вопросы:

1. Физические основы радиолокации.

2. Системы координат, используемые в радиолокации.

3. Основные методы радиолокации.

Данный учебный материал можно найти в следующих источниках:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. – М.:

Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

1. Физические основы радиолокации.

Радиолокация – это область радиоэлектроники, занимающаяся обнаружением объектов (целей), определением их пространственных координат, параметров движения и физических размеров с помощью радиотехнических средств и методов.

Перечисленные задачи решаются в процессе радиолокационного наблюдения, а устройства, предназначенные для этого, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами.

К радиолокационным целям (или просто целям) относятся: пилотируемые и беспилотные летательные аппараты (ЛА), естественные и искусственные космические тела, атмосферные образования, морские и речные корабли, различные наземные и подземные, надводные и подводные объекты и т.д.

Информация о целях содержится в радиолокационных сигналах.

В случае радиолокационного зондирования ЛА, прежде всего, необходимо получить информацию об их пространственных координатах (дальность до цели и ее угловые координаты).

Радиотехнические измерения дальности называются радиодальнометрией , а угловых координат - радиопеленгацией .

Измерению координат и скорости целей предшествует их обнаружение, разрешение и опознавание.

Под разрешением целей понимают определение количества целей в группе, их протяженности, класса и т. д.

Опознавание цели означает установление ее существенных признаков, в частности, государственной принадлежности.

Определение типа (класса) цели производится в процессе ее распознавания, что предполагает сложную обработку радиолокационных сигналов.

Совокупность сведений, получаемых радиолокационными средствами, называется радиолокационной информацией . Последняя передается на командные пункты, ПК и исполнительные устройства.

Из всех перечисленных функций радиолокации основной является радиолокационное наблюдение (обнаружение целей, измерение координат и параметров движения), а различение объектов, опознавание их и передача полученной радиолокационной информации по назначению относятся к дополнительным функциям PJIC.

Получение радиолокационной информации основывается на физических свойствах электромагнитных волн (ЭМВ), используемых в качестве носителей радиолокационного сигнала. Как известно, ЭМВ распространяются в однородной среде прямолинейно с постоянной скоростью

где ,- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды РРВ.

Для свободного пространства Ф/м;Г/м и соответственном/с.

Постоянство вектора скорости распространения ЭМВ в однородной среде, т.е. его модуля и направления, служит физической основой радиолокационных измерений.

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

Цель вносит неоднородность в свободнее пространство, так как ее параметры иотличаются соответственно оти, чем нарушается постоянство вектора скорости РРВ.

В результате объект преобразует радиоизлучение: часть энергии переотражается, часть – поглощается объектом, переходя в тепло, а другая часть при радиопрозрачности объекта – преломляется, изменяя направление РРВ. С точки зрения радиолокации интересен первый случай, когда цель становится источником вторичного излучения.

По времени запаздывания отраженного сигнала относительно излученного

определяем наклонную дальность цели

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 формуле

, (1.5)

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

Величина должна измеряться безынерционными электронными часами, так как время запаздывания радиолокационных сигналов очень мало (от микро- до миллисекунд).

Например, ЭМВ, отраженные от цели, расположенной на дальности D =150м от радиолокатора, запаздывают на 1 мкс, и каждому километру дальности до цели соответствует задержка ЭМВ на время 1000/150 = 6,7 мкс.

Допустим, радиолокационная антенна имеет вид прямолинейной решетки из р вибраторов, отстоящих один от другого на расстоянии d (рис. 1.1, а). Значительная удаленность цели от РЛС позволяет считать, что лучи, идущие отцели к вибраторам, направлены параллельно под углом φ к антенной решетке, а амплитуды электрических движущих сил (ЭДС), наводимых в отдельныхвибраторах, равны между собой: .

В этих условиях ЭДС соседних вибраторов отличаются только сдвигом по фазе ψ, вызванным разностью хода волн . Так как на каждую единицу длины данная бегущая волна отстает по фазе на угол, то

. (1.6)

Сложение векторов ЭДС вибраторов при различных углах ψ= ψ" (рис. 1.1, б) и ψ = ψ" (рис. 1.1, в) дает различную результирующую ЭДС . Как видно из рисунка 1.1 и формулы (1.6), с изменениемφ изменяется фаза ψ, а следовательно, и амплитуда результирующей ЭДС в приемной антенне. Отсюда вытекает возможность пеленгации цели по амплитудным и фазовым характеристикам направленности антенны.

Рис. 1.1. Прием ЭМВ линейной вибраторной антенной решеткой (а) и векторные диаграммы ЭДС решетки при различных направлениях облучения (б, в)

Как уже говорилось, первопричиной образования таких характеристик явилось различие в запаздывании волн, принимаемых отдельными элементами антенной решетки. Поэтому не только радиодальнометрия, но и радиопеленгация основана на постоянстве скорости и направления РРВ.

Радиальную и угловую скорости цели можно найти вычислением скорости приращения дальности и углов во времени. Обычно предпочитают более простую и точную операцию - непосредственное измерение так называемого допплеровского сдвига несущей частоты сигнала , вызванного движением цели.

Доплеровский сдвиг частоты связан с радиальной скоростью движения

объекта соотношением

, (1.7)

где – длина волны излучаемого сигнала;– 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. За счет этого фаза принимаемой волны имеет другие значения,что равнозначно приращению частоты радиосигнала. Измерив полученное (допплеровское) приращение частоты, можно (опять же благодаря постоянству скорости РРВ) определить радиальную скорость цели.

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

Другими физическими свойствами ЭМВ являются:

Прямолинейность распространения в однородной среде, что важно приточном измерении угловых координат и параметров движения;

Способность формироваться в узкий пучок, повышая тем самым точность, разрешающую способность и помехоустойчивость РЛС;

Способность отражаться от объектов;

Способность изменять свою частоту при наличии относительного движения цели и РЛС.

Таким образом, в отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризацияи т.д.).

Радиолокацией называется обнаружение, определение координат и параметров движения различных объектов (целей), отражающих, переизлучающих или излучающих электромагнитную энергию (радиоволны). Термин «локация» происходит от латинского location – размещение, расположение. Комплекс радиотехнических устройств, выполняющих указанную задачу, представляет собой радиолокационную станцию (РЛС) , или радиолокатор.

Радиолокационным объектом может быть любое физическое тело или группа тел, электрические и магнитные свойства которых (диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость) отличаются от свойств среды, в которой распространяются радиоволны. В условиях мореплавания такими объектами являются суда, знаки навигационного ограждения, береговая черта, айсберги, надводные и береговые сооружения и пр.

Радиолокационные объекты могут быть точечными и протяженными.

Радиолокационное изображение на экране индикатора РЛС (отметка) точечных объектов или целей имеет одинаковую форму и размеры. Точечными объектами являются малоразмерные надводные цели, например буй, веха с отражателями или без них.

Точечным объектом может оказаться также и крупноразмерная цель, например, судно среднего или большого тоннажа, если оно находится на большом расстоянии от РЛС.

Радиолокационное изображение протяженного объекта повторяет в соответствующем масштабе форму и размеры самого объекта.

Полезная информация о радиолокационном объекте доставляется радиосигналами, приходящими от объекта к радиолокационной станции. В зависимости от происхождения этих сигналов радиолокация подразделяется на пассивную и активную.

Пассивная радиолокация (рис 2.1)

РЛС пассивной системы содержит в своем составе приемную антенну направленного действия, радиоприемное устройство и индикатор (рис. 2.1).

Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций и создание им помех. Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным тепловым радиоизлучением. Поэтому пассивная радиолокация называется часто радиотеплолокацией .

Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности. C помощью РЛС пассивной системы можно, например, различать границу между водой и сушей, определять трассу проходящих судов, так как температура кильватерной струи бывает выше температуры воды.

Кроме того, пассивные РЛС используются для обнаружения и определения координат воздушно-космических объектов, в частности баллистических ракет на активном участке полёта, и угловых координат таких источников радиоизлучения как Солнца, Луны и звезд. Последнее служит навигационным целям определения широты и долготы точки размещения РЛС. На этом принципе работают так называемые радиосекстаны .

В отличие от активной радиолокации, пассивная радиолокация не позволяет найти дальность объекта по данным приёма сигналов только в одном пункте. Для полного определения координат объекта необходимо совместное использование двух (или более) РЛС, разнесённых на некоторое (известное) расстояние.

Дальность действия пассивных РЛС при резко контрастных объектах может превосходить дальность действия активных (излучающих) РЛС. Точности измерения угловых координат пассивными и активными РЛС примерно одинаковы, точность определения дальности у пассивных РЛС, как правило, ниже.

2.1.2. Активная радиолокация (рис 2.2)

Активная система радиолокации может быть с пассивным (первичная радиолокация ) и активным ответом . РЛС с пассивным ответом содержит радиопередатчик, приемопередающие антенны, радиоприемник и индикатор (рис. 2.2.). Электромагнитная энергия прямых или зондирующих сигналов, излучаемых передающей антенной, распространяясь в пространстве, отражается от объекта и принимается приемником.

C выхода приемника усиленные отраженные сигналы поступают на индикатор, где преобразуются в форму, удобную для получения информации о принятых сигналах.

Активная радиолокация с активным ответом отличается от системы с пассивным ответом наличием на объекте или заранее обусловленном пункте приемопередатчика (ответчика), который отвечает на сигналы РЛС (запросчика). Такая система позволяет не только обнаружить и определить координаты объекта, но и опознать объект.

В зависимости от структуры зондирующих радиолокационных сигналов различают два метода радиолокационного обнаружения:метод непрерывного излучения колебаний и импульсный.

ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ

В основе наиболее распространённого вида радиолокации - радиолокации с зондирующим излучением - лежит явление отражения радиоволн. Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные импульсы сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ), а в промежутке между посылаемыми (зондирующими) импульсами принимает отраженные от объектов импульсные сигналы. Отраженный импульсный сигнал от каждого объекта запаздывает по отношению к зондирующему сигналу на время

t D =2D/с, где

D – расстояние до объекта;

с – скорость распространения радиоволн.

По этому интервалу времени определяется расстояние или дальность

D=ct D /2 ,

а с помощью остронаправленной антенны РЛС – направление (курсовой угол или пеленг) на обнаруженный объект (цель).

При одновременном обнаружении нескольких объектов принимаемые отраженные сигналы будут смещены во времени в зависимости от дальности до этих объектов. Отмеченная особенность импульсного режима работы РЛС позволяет довольно просто одновременно наблюдать за многими объектами, расположенными в радиусе действия РЛС.

К преимуществам импульсной РЛС относится также сравнительная простота использования одной и той же антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов.

Недостатками импульсных РЛС являются необходимость применения больших пиковых мощностей; сложность определения скорости движения объектов; невозможность измерения очень малых расстояний и относительно большая минимальная дальность радиолокационного обнаружения, зависящие от длительности импульсов, минимальное значение которых ограничивается шириной частотного спектра и временем протекания переходных процессов в аппаратуре.

Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества импульсного метода радиолокации, обеспечивающие работу РЛС в режиме кругового обзора, являются решающими для судовых навигационных РЛС.

Импульсная РЛС содержит в своем составе следующие основные элементы, показанные на структурной схеме (рис. 2.3):

синхронизатор , вырабатывающий последовательность незатухающих видеоимпульсов для управления (синхронизации) работой передатчика, приёмника и индикаторного устройства;

передатчик, состоящий из модулятора и генератора сверхвысокой частоты (ГСВЧ), который под действием синхронизирующих импульсов генерирует мощные, короткие радиоимпульсы СВЧ;

антенно-фидерное устройство , содержащее остронаправленную антенну и волноводную линию, соединяющую антенну с приемопередатчиком;

антенный переключатель , коммутирующий антенну с передачи на приём и обратно, запирающий приёмник во время излучения зондирующего импульса и блокирующий выходные цепи передатчика при приеме отраженных сигналов;

приемник, усиливающий принятые отраженные сигналы и преобразующий их в видеоимпульсы, которые поступают в индикатор;

индикатор, преобразующий напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение (отметку) на экране ЭЛТ и выдающий координаты объекта (цели);

блок передачи данных (БПД) углового положения антенны для связи с индикатором.

Работа импульсной РЛС иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис. 2.4. Запускающие импульсы 1 синхронизатора с периодом следования или повторения T и поступают одновременно (либо с постоянной задержкой) на модулятор передатчика и индикатор. Импульсный модулятор передатчика вырабатывает модулирующие видеоимпульсы 2 длительностью τ и , воздействующие на ГСВЧ, который генерирует радиоимпульсы 3 , длительностью, равной примерно длительности модулирующих импульсов. Радиоимпульсы ГСВЧ через антенный переключатель поступают в антенну и излучаются, выполняя функцию зондирующих сигналов. Через интервал времени tD на входе приемника возникают отраженные сигналы 4 , которые усиливаются и детектируются приемником. В результате детектирования на выходе приемника создаются видеоимпульсы 5 , смешанные с шумом (помехой), которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ индикатора, создавая амплитудную или яркостную отметку на экране в зависимости от способа модуляции электронного луча ЭЛТ.

D=ct D /2 ,

Включаемый одновременно с передатчиком индикатор формирует импульс 6 напряжения временной развертки ЭЛТ с длительностью прямого хода, равной t=2Dmax/c , где Dmax – максимальная дальность на шкале индикатора. Временная развертка обеспечивает отсчет дальности, а данные углового положения антенны, поступающие на индикатор через блок БПД, – отсчет азимута обнаруженного объекта (цели).

В настоящее время на некоторых образцах современных РЛС импульс, посылаемый станцией, представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Угловые координаты, т.е. направления на обнаруживаемый объект, определяют методом пеленгования с помощью направленной антенны. В зависимости от антенной системы РЛС методы определения угловых координат могут быть амплитудными и фазовыми . Амплитудные методы, использующие направленные свойства антенны, основаны на сравнении амплитуд сигналов, отраженных от объектов и принятых различными приемными антеннами.

На практике в судовых радиолокационных системах используются следующие амплитудные методы: максимума, сравнения или равносигнальный .

При определении направления (пеленгации) по методу максимума антенна плавно поворачивается, и в момент, когда объект окажется в пределах диаграммы направленности антенны, на вход приемника будут поступать отраженные сигналы (рис. 2.5). Если объект является точечным, т. е. его угловые размеры меньше, чем ширина диаграммы направленности антенны, и сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала меняется по закону изменения формы диаграммы направленности антенны .

Когда ось диаграммы направленности антенны совпадает с направлением на объект, напряжение на входе приёмника оказывается максимальным и указатель поворота антенны даст отсчет курсового угла или пеленга на объект .

Достоинством метода максимума является

его техническая простота и возможность получения наибольшего значения отношения сигналшум, так как в момент определения угловой координаты принимаемые отраженные сигналы имеют наибольшую амплитуду, отчего увеличивается дальность радиолокационного обнаружения.

Кроме того, наличие отраженного сигнала в момент пеленгования позволяет наблюдать объект на экране индикатора и измерить его координаты. Благодаря этим особенностям метод максимума широко используется в радиолокационных системах, работающих в режиме кругового обзора, например, судовых навигационных радиолокационных станциях.

Основным недостатком данного метода является относительно низкая точность определения угловой координаты вследствие того, что вблизи максимума диаграммы направленности антенны интенсивность принимаемых отраженных сигналов меняется очень мало.

Основным параметром антенной угломерной системы является ее пеленгационная характеристика , которая представляет собой зависимость входного напряжения приемника от направления приходящих отраженных сигналов U вх (a). Точность измерения направления определяется крутизной пеленгационной характеристики или пеленгационной чувствительностью, которая является производной пеленгационной характеристики при = 0:

Зная минимальную величину изменения входного напряжения , которое можно заменить при пеленговании методом максимума, можно определить угловую ошибку , которая будет равна

Следовательно, с уменьшением величины , и увеличением крутизны пеленгационной характеристики точность отсчета угловых координат повышается. Однако из-за того, что при максимальном методе пеленгования пеленгационная чувствительность очень мала, ошибки пеленгования методом максимума будут равны , где –ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности, что соответствует уровню 0,7 диаграммы по напряженности поля.

Для повышения точности пеленгования необходимо применять остронаправленные антенны с более узкой диаграммой направленности. Это достигается использованием более коротких волн и увеличением размеров антенны.

Для РЛС с одной антенной, работающей на передачу и прием отраженных сигналов, диаграмма направленности антенны используется в формировании огибающей дважды: при передаче и при приеме сигналов. Поэтому результирующая диаграмма равна произведению диаграмм передающей и приемной антенн.

ПРОСТАНСТВЕННЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР

Чтобы обнаружить объект, антенна РЛС должна периодически облучать все точки зоны, подлежащей контролю, т. е. совершать обзор заданного пространства. Различают последовательный, параллельный и смешанный виды обзора.

При последовательном обзоре луч антенны РЛС перемещается в пределах заданной зоны, периодически повторяя заданную траекторию. Время T обз , необходимое для однократного перемещения луча по всей зоне обзора, называется периодом обзора .

Наиболее распространенным видом последовательного обзора является круговой (или секторный) линейный обзор , широко используемый в судовых навигационных РЛС для обнаружения и определения координат надводных и наземных объектов (рис. 2.6.). В этом случае луч антенны с равномерной скоростью перемещается в горизонтальной плоскости, совершая круговое или (при секторном обзоре) возвратно-круговое движение.

Скорость вращения антенны выбирается такой, чтобы период T обз обзора был меньше. Это повышает точность измерения координат и уменьшает скачки отметки отраженных сигналов от движущегося объекта, воспроизводимых на экране индикатора.

Однако уменьшение T обз снижает накапливание энергии отраженных сигналов и ухудшает тем самым условия наблюдения сигналов на экране индикатора при наличии помех.

Время t обл облучения точечного объекта зависит от угла направленности антенны в горизонтальной плоскости и угловой скорости обзора:

где a г – угол направленности антенны в горизонтальной плоскости, град.;

– угловая скорость обзора, град/ сек.

Между угловой скоростью и частотой вращения антенны n в оборотах в минуту имеет место следующая зависимость: . Тогда время облучения .

Задаваясь временем облучения и шириной диаграммы направленности антенны, можно найти предельную угловую скорость обзора , и максимальную частоту вращения антенны .

Отсюда минимальная величина периода кругового обзора равна .

Время облучения выбирается исходя из периода T и следования импульсов и заданного минимального числа N min отраженных импульсов в пачке, необходимого для уверенной фиксации объекта на экране индикатора,

Следует отметить, что при обнаружении и определении координат воздушных объектов, кроме дальности и азимута, необходимо еще определять угол места (или высоту). В этом случае применяются более сложные методы пространственного обзора: винтовой, зигзагообразный или телевизионный, спиральный, конический, которые относятся к виду последовательного обзора.

МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Метод непрерывного излучения колебаний при радиолокационном обнаружении объектов основан на эффекте Доплера , при котором частота сигнала, поступающего на приемное устройство, меняется в зависимости от относительной скорости движения между передатчиком и приемником. В результате Доплеровского эффекта принимаемая частота выше – при уменьшении расстояния между передатчиком и приемником и ниже – при увеличении этого расстояния. Если относительное движение отсутствует, то принимаемая частота точно соответствует передаваемой частоте.

Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую А пер и приемную А пр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). В зависимости от назначения РЛС на его выходе включаются либо наушники, либо частотомер (рис.2.7).

Рис.2.7. Структурная схема Доплеровской РЛС

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.

В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражённый от цели. В смесителе они сравниваются, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской.

F Д = 2f 0 V p / c = 2V p / l , где

f 0 - частота излучаемого сигнала; V p - радиальная скорость цели;

c - скорость радиоволн, равная скорости света.

При наличии развязывающего устройства излучение и приём сигналов в доплеровской РЛС осуществляется на одну антенну (см. подраздел 11.1, рис. 11.4).

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.

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 t 1 +t успеет измениться до значения f 1 +Df , и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Df (рис 2.8).

Рис. 2.8. Изменение частоты сигнала передатчика и отражённого сигнала

при частотной модуляции излучаемых колебаний

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

В судовождении доплеровские РЛС применяются для измерения скорости причаливания крупнотоннажных морских судов при швартовке их к причалу, в связи с тем, что многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150-200 тыс. т, если его скорость превышает 3-5 м/мин.

1.Общие сведения о системах радиолокации

2. Классификация систем радиолокации

3. Сигналы и цели в радиолокации

4. Методы измерения координат целей

5. Радиолокационные станции следящего типа

6. Фазовый детектор

7. Смеситель

8.Особенности развития и примеры современных РЛС

Список литературы

1. Общие сведения о системах радиолокации

Назначение и область применения.

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами.

Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилась в 30-х годах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новых средств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

Выдающийся вклад в развитие радиолокации внесли советские ученые и инженеры П. К. Ощепков, М. М. Лобанов, Ю. К. Коровин, Б. К. Шембель. В Советском Союзе первые успешные эксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационных устройств были проведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружении войск ПВО поступили первые серийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом в развитии радиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева импульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна из наиболее прогрессирующих областей радиотехники.

Получение информации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами; а наблюдаемые объекты - радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения и т. п.

В радиолокации наиболее часто измеряются дальность между целью и РЛС, угловые координаты (азимут, угол места) и радиальная, относительно радиолокатора, составляющая скорости движения. (Азимут - это угол между направлением на цель и северным направлением, измеренный в горизонтальной плоскости. Угол места измеряется между вектором наклонной дальности и его проекцией на горизонтальную плоскость.) В задачу радиолокационного наблюдения в некоторых случаях входит также идентификация (распознавание) целей.

Понятие «система радиолокации» объединяет РЛС и другие связанные с ними технические средства, операторов, наблюдаемые цели и пространство, в котором ведется наблюдение.

Системы радиолокации практически всегда входит в состав более сложных суперсистем. Эти суперсистемы имеют важное военное и народнохозяйственное значение и находят разнообразное применение: для управления воздушным движением, в навигации самолетов, кораблей, в геофизических и астрофизических исследованиях и др.

Системы радиолокации составляют информационную часть таких суперсистем и функционируют совместно и во взаимной связи с другими подсистемами суперсистемы (радионавигации, радиоуправления, передачи информации).

Методы радиолокации.

Носителем информации в радиолокации является радиолокационныйсигнал - электромагнитная волна, излучаемая целью. Это излучение может иметь различную природу; вторичное излучение (отражение), или собственное излучение радиоволн. В зависимости от способа образования радиолокационного сигнала различают активный, активный с активным "ответом” и пассивный методы радиолокации.

В активной радиолокации передатчик РЛС излучает в направлении на цель мощный зондирующий сигнал. При облучении цели электромагнитной волной часть энергии волны поглощается, а остальная - отражается. Приемник радиолокатора улавливает слабый отраженный сигнал. Обнаружение отраженного сигнала свидетельствует о наличии цели. Анализ принятого сигнала и сравнение его с излученным позволяет получить информацию о пространственном положении и движении цели относительно РЛС.

В активной радиолокации с активным ответом радиолокационный сигнал создается путем переизлучения зондирующего сигнала специальным радиоответчиком, установленным на цели. Системы, использующие такой метод, применяются для наблюдения самолетов, космических аппаратов, имеющих ретранслятор сигналов на борту.

Системы активной радиолокации могут быть совмещенными и разделенными. В первом случае приемная и передающая части РЛС совмещаются в едином устройстве; во втором - приемное и передающее устройства размещаются в различных точках пространства, на удалении друг от друга.

В пассивной радиолокации в качестве сигналов используется самопроизвольное электромагнитное излучение целей: собственное тепловое радиоизлучение физических тел или излучение радиотехнических устройств, установленных на цели. Пассивная РЛС имеет только приемное устройство, с помощью которого производится обнаружение целей и измерение их угловых координат.

На современном этапе развития техники часто оказывается затруднительным построение пассивных РЛС с высокими техническими характеристиками, использующими тепловое радиоизлучение, вследствие малой его интенсивности. Поэтому такие РЛС нашли ограниченное применение. Большое значение имеют специальные пассивные РЛС, предназначенные для радиоразведки.

2. Классификация систем радиолокации

В основу классификации систем радиолокации могут быть положены различные признаки. Для систем радиолокации, осуществляющих выделение, обработку и накопление информации о радиолокационных целях, наиболее существенными являются информационные признаки, а именно: назначение и характер получаемой информации. Однако для практики такая классификация часто оказывается недостаточной. Поэтому дополнительно вводят классификацию по способу формирования и обработки сигналов, по месту (объекту) размещения аппаратуры, по диапазону используемых радиоволн.

Элементом системы радиолокации, определяющим ее назначение, основные свойства, возможности практического использования, являются РЛС. В зависимости от назначения и характера получаемой информации можно выделить три класса РЛС.

1. РЛС обзорного типа. Назначение этих радиолокаторов- поиск, обнаружение целей и относительно грубое измерение их координат. Такие РЛС обеспечивают получение информации о многих целях одновременно. Отличительный признак этих РЛС - работа в режиме периодического обзора некоторой зоны пространства. Обзорные РЛС используются для наблюдения воздушного пространства, земной или водной поверхности.

2. РЛС следящего типа. Назначение таких РЛС - точное измерение и непрерывная выдача информации о значениях координат целей. РЛС следящего типа осуществляют слежение за одной или несколькими целями. В частности, РЛС следящего типа применяются для управления оружием, слежения за самолетами в системах УВД.

3. Специализированные измерители и РЛС ближнего действия. К этому типу отнесем устройства, выполняющие некоторую частную задачу. Как правило, такие устройства измеряют один параметр положения или движения цели (объекта) и работают по заведомо одной цели. По назначению рассматриваемые устройства обладают большим разнообразием. В качестве примера укажем на РЛС, используемые как навигационные измерители - самолетный радиовысотомер, доплеровский измеритель вектора скорости самолета.

Существуют также комбинированные и многофункциональные РЛС. В комбинированной системе совмещаются обзорная и следящая РЛС. Наиболее совершенными являются многофункциональные РЛС. Такие РЛС могут одновременно совершать обзор пространства и слежение за целями.

Схемно-техническое построение и конструкция РЛС в существенной мере зависят от места (объекта) размещения, от способа формирования и обработки сигналов. По месту установки РЛС подразделяются на наземные (стационарные и передвижные) и бортовые: самолетные, космические, корабельные.

По способу формирования и обработки сигналов различают РЛС импульсные и с непрерывным излучением, когерентные и некогерентные, одноканальные и многоканальные.

Характеристики и параметры систем радиолокации принято подразделять на тактические и технические. Первые из них определяют возможности практического использования системы.

Перечислим основные тактические характеристики и параметры.

1. Зона действия (рабочая зона) - область пространства, в которой РЛС выполняет свои функции, определенные ее назначением.

2. Измеряемые координаты и точности их измерения. Измеряемые координаты определяются назначением РЛС. Существуют одно-, двух- и трехкоординатные РЛС. Измерение координат сопровождается погрешностями, которые ограничивают возможности тактического использования РЛС. Чрезмерное увеличение точности приводит к усложнению конструкции и к неоправданному повышению стоимости системы.

3. Разрешающая способность РЛС характеризует возможность раздельного наблюдения целей и измерения их параметров при малом отличии этих параметров. Различают разрешение по дальности, по направлению и по скорости. Цели, не разрешаемые ни по дальности, ни по направлению, ни по скорости, воспринимаются радиолокатором как одна цель. Во многих случаях тактического применения РЛС разрешающая способность является характеристикой первостепенной важности, определяющей саму возможность практического использования РЛС.

4. Помехозащищенность характеризуется способностью РЛС выполнять свои функции в условиях воздействия различного рода помех, естественных и организованных.

5. Пропускная способность определяется плотностью случайного потока целей, информация о которых обрабатывается радиолокатором и выдается с заданной точностью.

6. Время развертывания (приведения в рабочее состояние). Этот параметр характеризует возможность использования РЛС в условиях скоротечно изменяющейся обстановки.

Радиолока́ция - область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн . Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация , однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации - радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Классификация

Выделяют два вида радиолокации:

• Пассивная радиолокация основана на приёме собственного излучения объекта
• При активной радиолокации радар излучает свой собственный зондирующий импульс и принимает его отражённым от цели. В зависимости от параметров принятого сигнала определяются характеристики цели.

Активная радиолокация бывает двух видов:

• С активным ответом - на объекте предполагается наличие радиопередатчика (ответчика), который излучает радиоволны в ответ на принятый сигнал . Активный ответ применяется для опознавания объектов (свой-чужой), дистанционного управления , а также для получения от них дополнительной информации (например, количество топлива, тип объекта и т. д.).
• С пассивным ответом - запросный сигнал отражается от объекта и воспринимается в пункте приёма как ответный.

Для просмотра окружающего пространства РЛС использует различные способы обзора за счёт перемещения направленного луча антенны РЛС:

• круговой
• секторный
• обзор по винтовой линии
• конический
• по спирали
• "V" обзор
• линейный (самолёты ДРЛО типа Ан-71 и А-50 (Россия -Украина) или американские с системой Авакс)

В соответствии с видом излучения РЛС делятся на

• РЛС непрерывного излучения
• Импульсные РЛС

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.

Импульсный метод радиолокации

При импульсном методе радиолокации передатчики генерируют колебания в виде кратковременных импульсов , за которыми следуют сравнительно длительные паузы. Причём длительность паузы выбирается исходя из дальности действия РЛС D max .

Сущность метода состоит в следующем:

Передающее устройство РЛС излучает энергию не непрерывно, а кратковременно, строго периодически повторяющимися импульсами, в паузах между которыми происходит приём отражённых импульсов приёмным устройством той же РЛС. Таким образом, импульсная работа РЛС даёт возможность разделить во времени мощный зондирующий импульс, излучаемый передатчиком и значительно менее мощный эхо-сигнал. Измерение дальности до цели сводится к измерению отрезка времени между моментом излучения импульса и моментом приёма, то есть временем движения импульса до цели и обратно.

Дальность действия РЛС

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

При наличии шумов и помех дальность действия РЛС уменьшается.

Влияние помех

Влияние шумов

Влияние атмосферы

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.

РЛС непрерывного излучения

Используются в основном для определения радиальной скорости движущегося объекта (использует эффект Допплера). Достоинством РЛС такого типа является дешевизна и простота использования, однако в таких РЛС сильно затруднено измерение расстояния до объекта.

Пример: простейший радар для определения скорости автомобиля.

Основные идеи и этапы развития

Как известно, эффект отражения радиоволн открыл А.С. Попов в 1897 году. Но технически использовать удивительный эффект для «дальнего видения» никому не удавалось: волны рассеивались, и на объект локации их попадало меньше одной миллиардной части. Практические работы в области радиолокации начались в 30-х годах. Работы велись практически параллельно в СССР, Германии, Англии и Франции. Естественно, что разработки держались в секрете. Основной целью было обнаружение атак авиации.

В Советском Союзе осознание необходимости средств обнаружения авиации, свободных от недостатков звукового и оптического наблюдения, привела к разворачиванию исследований в области радиолокации. Идея, предложенная молодым артиллеристом Павлом Ощепковым получила одобрение высшего командования: наркома обороны СССР К. Е. Ворошилова и его заместителя - М. Н. Тухачевского .

3 января 1934 года в СССР был успешно проведён эксперимент по обнаружению самолёта радиолокационным методом. Самолёт, летящий на высоте 150 метров был обнаружен на дальности 600 метров от радарной установки. Эксперимент был организован представителями Ленинградского Института Электротехники и Центральной Радиолаборатории. В 1934 году маршал Тухачевский в письме правительству СССР написал: «Опыты по обнаружению самолётов с помощью электромагнитного луча подтвердили правильность положенного в основу принципа». Первая опытная установка «Рапид» была опробована в том же году , в 1936 году советская сантиметровая радиолокационная станция «Буря» засекала самолёт с расстояния 10 километров . Работы по радиолокации были начаты и в УФТИ в Харькове. Первые РЛС в СССР, принятые на вооружение РККА и выпускавшиеся серийно были: РУС-1 – с 1939 года и РУС-2 – с 1940 года.

В 1946 году американские специалисты - Реймонд и Хачертон, бывший сотрудник посольства США в Москве, написали: «Советские учёные успешно разработали теорию радара за несколько лет до того, как радар был изобретён в Англии».

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

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

Основными моментами в противостоянии с авиацией были:

• Применение для скрытия самолётов и вертолётов пассивных маскирующих помех в виде распыляемых в воздухе кусочков фольги, отражающей радиоволны. Ответом на это было внедрение в радиолокаторах систем селекции движущихся целей, которая на основе доплеровского эффекта отличает движущиеся самолёты от сравнительно неподвижной фольги.
• Развитие технологий построения самолётов и кораблей, уменьшающих мощность отражённого назад к радиолокатору сигналов, получивших название Стелс . Для этого служат и специальные поглощающие покрытия, и специальная форма, отражающая падающую радиоволну не назад, а в другом направлении.

См. также

Ссылки

• Бистатическая радиолокация [неавторитетный источник? ]

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Радиолокация" в других словарях:

Радиолокация … Орфографический словарь-справочник

Обнаружение и определение местоположения разл. объектов с помощью радиотехн. устройств. Первые радиолокац. станции (РЛС), называемые также радиолокаторами или радарами, появились в Великобритании, СССР и США в кон. 1930 х гг. Принцип действия… … Физическая энциклопедия

- (от радио... и лат. locatio расположение) область науки и техники, предмет которой наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, распознавание, определение их местонахождения и скорости и др.; сам процесс… … Большой Энциклопедический словарь