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.

Радиолокация (от «радио» и латинского слова locatio - расположение) - область науки и техники, занимающаяся наблюдением различных объектов в воздухе, на воде, на земле, определением их местоположения и расстояния до них при помощи радио. Всем хорошо знакомо эхо. Мы слышим звук, когда говорим, и слышим вторично, когда он возвращается после отражения от стены здания или утеса. В радиолокации происходит то же самое, но с той только разницей, что вместо звуковых волн действуют радиоволны. Радиолокатор посылает импульс радиоволн в сторону объекта и принимает его после отражения. Зная скорость распространения радиоволн и время прохождения импульса до отражающего объекта и обратно, нетрудно определить расстояние между ними.

Любой радиолокатор состоит из радиопередатчика, радиоприемника, работающего на той же волне, направленной антенны и индикаторного устройства (см. Индикатор).

Передатчик радиолокатора посылает в антенну сигналы короткими очередями - импульсами. Антенна радиолокатора, обычно имеющая форму вогнутого прожекторного зеркала, фокусирует радиоволны в узкий луч и направляет его на объект (рис. 1). Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается то к радиопередатчику, то к радиоприемнику (рис. 2). В промежутках между излучениями импульсов радиопередатчика работает радиоприемник. Он принимает отраженные радиоволны, а включенное на его выходе индикаторное устройство показывает расстояние до объекта.

Роль индикаторного устройства выполняет электроннолучевая трубка (см. Кинескоп). Электронный луч перемещается по экрану трубки с точно заданной скоростью, создавая движущуюся светящуюся линию. В момент посылки радиопередатчиком импульса радиоволн светящаяся линия на экране трубки делает всплеск. Аналогичный всплеск на светящейся линии трубки появляется и по возвращении «радиоэха». Поскольку скорость распространения радиоволн известна - она равна скорости света (300 000 км/с), то по интервалу между всплесками электронного луча на экране трубки можно определить расстояние до объекта. Радиоволны отражаются землей, водой, деревьями, металлическими и другими предметами. Наилучшее отражение происходит тогда, когда длина излучаемых радиоволн меньше отражающего их предмета. Поэтому радиолокаторы работают в диапазоне ультракоротких волн (см. Радио).

Радиолокаторы, установленные на судах, позволяют получить картину береговой линии, «прощупать» водные просторы, они предупреждают о приближении других судов и плавающих ледяных гор - айсбергов. По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов (см. Диспетчерское управление) контролируют движение самолетов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полета и наблюдают очертания местности, над которой они летят (см. Навигационные приборы). Используя радиолокационные средства, синоптики следят за образованием и передвижением облаков, развитием и прохождением ураганов и тайфунов (см. Метеорологическая техника).

Радиолокация - это совокупность научных методов и технических средств, служащих для определения координат и характеристик объекта посредством радиоволн. Исследуемый объект часто именуют радиолокационной целью (или просто целью).

Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:

• В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
• На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
• На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.

Историческая справка

На способность радиоволн к отражению указывали великий физик Г. Герц и русский электротехник еще в конце XIX века. Согласно патенту от 1904 года, первый радар создал немецкий инженер К. Хюльмайер. Прибор, названный им телемобилоскопом, использовался на судах, бороздивших Рейн. В связи с развитием применение радиолокации выглядело очень перспективным в качестве элемента Исследования в этой области велись передовыми специалистами многих стран мира.

В 1932 году основной принцип радиолокации описал в своих работах научный сотрудник ЛЭФИ (Ленинградского электрофизического института) Павел Кондратьевич Ощепков. Им же в сотрудничестве с коллегами Б.К. Шембель и В.В. Цимбалиным летом 1934 года был продемонстрирован опытный образец радиолокационной установки, обнаружившей цель на высоте 150 м при удалении 600 м. Дальнейшие работы по совершенствованию средств радиолокации сводились к увеличению дальности их действия и повышению точности определения местоположения цели.

Природа электромагнитного излучения цели позволяет говорить о нескольких видах радиолокации:

• Пассивная радиолокация исследует собственное излучение (тепловое, электромагнитное и т.п.), которое генерирует цели (ракеты, самолеты, космические объекты).
• Активная с активным ответом осуществляется в случае, если объект оборудован собственным передатчиком и взаимодействие с ним происходит по алгоритму "запрос - ответ".
• Активная с пассивным ответом предполагает исследование вторичного (отраженного) радиосигнала. в этом случае состоит из передатчика и приемника.
• Полуактивная радиолокация - это частный случай активной, в случае когда приемник отраженного излучения расположен вне РЛС (например, является конструктивным элементом самонаводящейся ракеты).

Каждому виду свойственны свои достоинства и недостатки.

Методы и оборудование

Все средства радиолокации по используемому методу разделяют на РЛС непрерывного и импульсного излучения.

Первые содержат в своем составе передатчик и приемник излучения, действующие одновременно и непрерывно. По этому принципу были созданы первые радиолокационные устройства. Примером такой системы могут служить радиоальтиметр (авиационный прибор, определяющий удаление летательного аппарата от поверхности земли) или известный всем автолюбителям радар для определения скоростного режима транспортного средства.

При импульсном методе электромагнитная энергия излучается короткими импульсами в течение нескольких микросекунд. После станция ведет работу только на прием. После улавливания и регистрации отраженных радиоволн РЛС передает новый импульс и циклы повторяются.

Режимы работы РЛС

Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый - сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.

Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.

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.

Основные параметры систем

От тактических и технических характеристик оборудования во многом зависит эффективность и качество решаемых задач.

К тактическим показателям РЛС причисляют:

• Зону обзора, ограниченную минимальной и максимальной дальностью обнаружения цели, допустимым азимутальным углом и углом возвышения.
• Разрешающую способность по дальности, азимуту, элевации и скорости (возможность определять параметры рядом расположенных целей).
• Точность измерений, которая измеряется наличием грубых, систематических или случайных ошибок.
• Помехозащищенность и надежность.
• Степень автоматизации извлечения и обработки поступающего потока информационных данных.

Заданные тактические характеристики закладываются при проектировании устройств посредством определенных технических параметров, среди которых:

На боевом посту

Радиолокация - это универсальный инструмент, получивший широкое распространение в военной сфере, науке и народном хозяйстве. Области использования неуклонно расширяются благодаря развитию и совершенствованию технических средств и технологий измерений.

Применение радиолокации в военной отрасли позволяет решить важные задачи обзора и контроля пространства, обнаружения воздушных, наземных и водных мобильных целей. Без радаров невозможно представить оборудование, служащее для информационного обеспечения навигационных систем и систем управления орудийным огнем.

Военная радиолокация является базовой составляющей стратегической системы предупреждения о ракетном нападении и комплексной противоракетной обороны.

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.

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.

Перспективы развития

Для современной радиолокационной станции главным оценочным критерием выступает соотношение эффективности и качества. Под эффективностью понимаются обобщенные тактико-технические характеристики оборудования. Создание совершенной РЛС - сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики.

По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации.

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.).

Радиоволны, посланные в пространство, распространяются в нём со скоростью света. Но как только они встречают на своём пути какой-нибудь объект, например, самолёт или корабль, они отражаются от него и возвращаются обратно. Следовательно, с их помощью можно обнаруживать различные удалённые объекты, наблюдать за ними и определять их координаты и параметры.

Обнаружение местоположения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией .

Как появилась радиолокация

Александр Степанович Попов

В 1897 г. во время опытных сеансов радиосвязи между морским транспортом «Европа» и крейсером «Африка», проводимых русским физиком Александром Степановичем Поповым , обнаружили интересное явление. Оказалось, что правильность распространения электромагнитной волны искажали все металлические предметы – мачты, трубы, снасти как на корабле, с которого сигнал отправлялся, так и на корабле, где его принимали. Когда же между этими кораблями появился крейсер «Лейтенант Ильин», радиосвязь между ними нарушилась. Так было открыто явление отражения радиоволн от корпуса корабля.

Но если радиоволны способны отражаться от корабля, то с их помощью корабли можно и обнаруживать. А заодно и другие цели.

И уже в 1904 г. немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер подал заявку на первый радиолокатор, а в 1905 г. получил патент на использование эффекта отражения радиоволн для поиска кораблей. А ещё через год, в 1906 г., он предложил использовать этот эффект, чтобы определять расстояние до объекта, отражающего радиоволны.

Кристиан Хюльсмайер

В 1934 г. шотландский физик Роберт Александр Уотсон-Уотт получил патент на изобретение системы для обнаружения воздушных объектов и уже в следующем году продемонстрировал одно из первых таких устройств.

Роберт Александр Уотсон-Уотт

Как работает радиолокатор

Определение местонахождения чего-либо называют локацией . Для этого в технике применяют устройство, называемое локатором . Локатор излучает какой-либо вид энергии, например, звук или оптический сигнал, в сторону предполагаемого объекта, а затем принимает отражённый от него сигнал. Радиолокатор использует для этой цели радиоволны.

На самом деле радиолокатор, или радиолокационная станция (РЛС), - сложная система. Конструкции различных радиолокаторов могут различаться, но принцип их работы одинаков. Радиопередатчик посылает в пространство радиоволны. Достигнув цели, они отражаются от неё, как от зеркала, и возвращаются назад. Такая радиолокация называется активной.

Основные узлы радиолокатора (РЛС) – передатчик, антенна, антенный переключатель, приёмник, индикатор.

По способу излучения радиоволн РЛС делятся на импульсные и непрерывного действия.

Как работает импульсная радиолокационная станция?

Передатчик радиоволн включается на короткое время, поэтому радиоволны излучаются импульсами. Они поступают в антенну, которая располагается в фокусе зеркала параболоидной формы. Это нужно для того, чтобы радиоволны распространялись в определённом направлении. Работа радиолокатора похожа на работу светового прожектора, лучи которого подобным образом направляются в небо и, освещая его, ищут нужный объект. Но работа прожектора этим и ограничивается. А радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает сигнал, отражённый от найденного объекта (радиоэхо). Эту функцию выполняет приёмник.

Антенна импульсного радиолокатора работает то на передачу, то на приём. Для этого в ней есть переключатель. Как только радиосигнал послан, отключается передатчик и включается приёмник. Наступает пауза, во время которой радиолокатор как бы «слушает» эфир и ждёт радиоэхо. И как только антенна улавливает отражённый сигнал, тут же отключается приёмник и включается передатчик. И так далее. Причём время паузы может во много раз превышать длительность импульса. Таким образом излучаемый и принимаемый сигнал разделяются во времени.

Принятый радиосигнал усиливается и обрабатывается. На индикаторе, который в простейшем случае представляет собой дисплей, отображается обработанная информация, например, размеры объекта или расстояние до него, или сама цель и окружающая её обстановка.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Поэтому, зная время t от излучения импульса радиосигнала до его возвращения, можно определить расстояние до объекта.

R = cˑ t/2 ,

где с – скорость света.

Радиолокатор непрерывного действия высокочастотные радиоволны излучает непрерывно. Поэтому антенной улавливается также непрерывный отражённый сигнал. В своей работе такие РЛС используют эффект Доплера . Суть этого эффекта в том, что частота сигнала, отражённого от объекта, движущегося по направлению к радиолокатору, выше частоты сигнала, отражённого от объекта, удаляющегося от него, несмотря на то, что частота излучаемого сигнала постоянна. Поэтому такие РЛС используют для определения параметров движущегося объекта. Пример радиолокатора, в основе работы которого лежит эффект Доплера – радар, используемый сотрудниками ГИБДД для определения скорости движущегося автомобиля.

В поисках объекта направленный луч антенны РЛС сканирует пространство, описывая полный круг, либо выбирая определённый сектор. Он может быть направлен по винтовой линии, по спирали. Обзор также может быть коническим или линейным. Всё зависит от задачи, которую он должен выполнить.

Если необходимо постоянно следить за выбранной движущейся целью, антенна радиолокатора всё время направлена на неё и поворачивается вслед за ней с помощью специальных следящих систем.

Применение радиолокаторов

Впервые радиолокационные станции начали применяться во время Второй мировой войны для обнаружения военных самолётов, кораблей и подводных лодок.

Так в конце декабря 1943 г. радиолокаторы, установленные на английских кораблях, помогли обнаружить фашистский линкор, вышедший ночью из порта Альтенфиорд в Норвегии, чтобы перехватить военные суда. Огонь по линкору вёлся очень точно, и вскоре он пошёл ко дну.

Первые РЛС были не очень совершенными, в отличие от современных, надёжно защищающих воздушное пространство от воздушных налётов и ракетного нападения, распознающих практически любые военные объекты на суше и на море. Радиолокационное наведение применяется в самонаводящихся ракетах для распознавания местности. РЛС осуществляют слежение за полётами межконтинентальных ракет.

РЛС нашли своё применение и в мирной жизни. Без них не могут обходиться лоцманы, проводящие корабли через узкие проливы, диспетчеры в аэропортах, руководящие полётами гражданских самолётов. Они незаменимы при плавании в условиях ограниченной видимости – ночью или при плохой погоде. С их помощью определяют рельеф дна морей и океанов, исследуют загрязнения их поверхностей. Их используют метеорологи для определения грозовых фронтов, измерения скорости ветра и облаков. На рыболовных судах радиолокаторы помогают обнаруживать косяки рыбы.

Очень часто радиолокаторы, или радиолокационные станции (РЛС), называют радарами . И хоть сейчас это слово стало самостоятельным, на самом деле это аббревиатура, возникшая из английских слов «radio detection and ranging » , что означает «радиообнаружение и дальнометрия» и отражает суть радиолокации.