История развития радиолокации

Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирования) пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС  по строго определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор. Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения антенна все время направлена на выбранную цель и специальные следящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.

Удаленность того или  иного объекта определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Запаздывание сигнала  очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с). Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание сигнала составит всего 20 мкс. Такой результат получается из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Однако при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время малым назвать нельзя. Современная вычислительная техника способна с высокой точностью обрабатывать  сигналы с ничтожным временем запаздывания, поэтому с помощью радаров можно регистрировать объекты, расположенные как на больших, так и на малых расстояниях от наблюдателя. Существует единственное существенное ограничение применения радаров в целях сверхдальних наблюдений - это ослабление сигнала. Если сигнал проходит большое расстояние, то он частично рассеивается, искажается и ослабевает и выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов иного происхождения зачастую крайне затруднительно для повышения дальности действия РЛС, повышают мощность передатчика. Столь высокой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС.

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

 

U(t) = A(t)cos(2πf₀ t + φ(t)),      (1)

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

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

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

 

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ.

 

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

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

Суммарное время t₁ + t₂ – 2t₁ есть время запаздывания t₃ отраженного импульса относительно зондирующего. При условии постоянства скорости распространения волн (что с высокой

 

 

Рис.5

Временные диаграммы.

 

степенью точности справедливо  для скорости света в атмосфере) измерение дальности в радиолокации сводится к измерению этого времени запаздывания согласно формуле D = C*t₃/2.

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

 

2.2 Основные  характеристики.

 

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Ультракороткие волны  слабо поглощаются атмосферой  независимо от погоды.

 

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ.

 

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

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

а) в меридиональной плоскости (в которой лежит излучатель) 

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

 

Рис.6

Диаграммы направленности полуволнового вибратора.

 

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

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

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

Направленность излучения  антенн изображают графиком или диаграммой.

 

Диаграмма направленности вертикального вибратора.

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

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