Радіолокація

1. Що таке радіолокація? Радіолокація — область науку й техніки, предмет якої - спостереження різних об'єктів (цілей) радиотехническими методами: їх виявлення, розпізнавання, визначення їх координат і швидкості та інших. Ще О. С. Попов зауважив, що радіохвилі мають здатність відбиватися. На цьому і грунтується принцип дії РЛС. Потужний промінь радіолокаційного передатчикам фокусується великий антеною у бік досліджуваного об'єкта, фіксується і вивчається відбитий радіосигнал, на основі чого робляться висновки про те чи інших характеристиках объекта.

2. Початок радіолокації. Перші робота зі створення радіолокаційних систем почалися нашій країні у середині 1930;х. Вперше ідею радіолокації висловив науковий співробітник Ленінградського электрофизического інституту (ЛЭФИ) П. К. Ощепков ще 1932 року. Пізніше він також запропонував ідею імпульсного випромінювання. 16 січня 1934 року у Ленінградському физико — технічному інституті (ЛФТИ) під керівництвом академіка А. Ф. Йоффе відбулася загальноукраїнська нарада, на якому представники ППО РСЧА поставили завдання виявлення літаків на висотах доі дальності до 50 км у час діб, і у різноманітних погодних умовах. За роботу взялися кілька груп винахідників та закордонних вчених. Вже влітку 1934 року група ентузіастів, серед яких були Б. До. Шембель, В. В. Цимбалин і П. До. Ощепков, представила урядовців досвідчену установку. Проект отримав необхідне фінансування й у 1938 року був випробуваний макет імпульсного радіолокатора, що мав дальність дії до 50 км — при висоті мети 1,5 км. Творці макета Ю, Б, Кобзарев, П, А, Погорелко і М, Я, Ченців 1941 року за розробку радіолокаційної техніки, були визнані гідними Державної премії СРСР. Подальші розробки були пливуть переважно збільшення дальності дії і підвищення точності визначення координат. Станція РУСИЧ- 2 прийнята влітку 1940 року в озброєння військ ППО вони мали аналогів у світі за своїм технічним характеристикам, вона послужила в пригоді під час Великої Вітчизняної війни під час оборони Москви від нальотів ворожої авіації. Після війни перед радіолокаційної технікою нові сфери застосування під багатьох галузях народного господарства. Без радарів тепер немислимі авіація і судноводіння. Радіолокаційні станції досліджують планети Сонячної системи і поверхню нашої Землі, визначають параметри орбіт супутників і виявляють скупчення грозових хмар. Останні десятиліття радіолокаційна техніка невпізнанно изменилась.

3. Основи радіолокації. Визначення координат мети радаром здійснюється з урахуванням обраної системи координат. Вибір тій чи іншій системи координат пов’язане з сферою застосування радіолокаційної установки. Наприклад, наземна радіолокаційна станція (РЛС) контролю над повітряної обстановкою вимірює три координати мети: азимут, кут місця та похилу дальность.

(.

Система координат оглядової РЛС :

(- азимут; (- кут місця; R — похила дальність РЛС подібного типу використовуються на аеродромах. Працює ця станція в сферичної системі координат.

Различают дві основні режиму роботи РЛС: режим огляду (сканування) простору й режим спостереження метою. У режимі огляду промінь РЛС по суворо визначеною системою переглядає все простір чи поставлене сектор. Антена, наприклад, може повільно повертатися по азимуту й те ж час швидко нахилятися угору й униз, скануючи по розі місця. У режимі спостереження антена постійно спрямовано обрану мету і спеціальні стежать системи повертають її за що просувалася метою. Віддаленість тієї чи іншої об'єкта визначається по запаздыванию відображеного сигналу щодо випромінюваного. Запізнення сигналу обмаль, оскільки радіохвилі поширюються зі швидкістю, близька до швидкості світла (300 000 км/с). Справді, для літака, знаходиться в відстані 3 кілометрів від РЛС, запізніле розуміння сигналу становитиме лише 20 мкс. Такий результат виходить з — за те, що радіохвиля проходить шлях у обох напрямах, до цілі й назад, отже загальне відстань, пройдене хвилею, становитиме 6 км. Проте за радіолокації Марса, успішно проведеного початку 1960;х років, затримка сигналу становить близько 11 хв, але це час малим кваліфікувати не можна. Сучасна обчислювальної техніки здатна із високим точністю обробляти сигнали з незначним часом запізнювання, тому з допомогою радарів можна реєструвати об'єкти, розташовані як у великих, і на малих відстанях від спостерігача. Існує єдине істотне обмеження застосування радарів з метою наддалеких спостережень — це сигналу. Якщо сигнал проходить велику відстань, він частково розсіюється, спотворюється і слабшає і виділити їх у приймальнику власними шумів приймача і шумів іншого походження найчастіше вкрай важко. Послаблення сигналу при радіолокації цілком піддається розрахунку, який грунтується на простих фізичних міркування. Якщо який — то точці випромінюється потужність Р, то потік потужності через одиничну майданчик, що знаходиться з відривом R, буде пропорційний Р/4(R². У знаменнику стоїть площа сфери радіусом R, оточуючої джерело. Таким чином, при звичайній радіозв'язку потужність, прийнята антеною, назад пропорційна квадрату відстані. Цього закону — закон сферичної расходимости пучка енергії - виконується завжди для розповсюдження хвиль в вільному просторі. Навіть якщо взяти сконцентрувати випромінену потужність в вузький промінь і потік енергії зросте у кілька разів (цей коефіцієнт називається коефіцієнтом спрямованого дії антени, КНД), квадратична залежність від відстані збережеться. Однак у радіолокації радіосигнал долає подвійні відстані, а сама облучаемая мета розсіює енергію по всіх напрямах, і якщо облучающий мета потік енергії слабшає назад пропорційно R² то приходячи до приймача рассеяный потік ще послаблюється у стільки ж разів, і виявляється назад пропорційним R⁴. Це означає, що з підвищення дальності дії РЛС вдвічі при інших рівних умов потужність її передавача треба підвищити в 16 раз. Настільки висока ціна досягаються високі характеристики сучасних РЛС.

4. Радіолокаційна техника.

Рассмотрим структурні схеми найпростіших радіолокаторів. Доплеровская РЛС безперервного випромінювання — найпростіша із усіх. Саме таким принципу було побудовано перші «радиоуловители» літаків. Вона має генератор високочастотних коливань (ГВЧ), передавальну Апер і приймальню Апр антени, змішувач і підсилювач низькою частоти биттів (УНЧ). На його виході включаються або навушники, або частотомер.

Доплеровская РЛС не виявляє нерухомі предмети. Сигнал, відбитий від нього має те саме частоту, як і випромінюваний. Але якщо обнаруживаемый об'єкт рухається у бік локатора чи то з нього, частота відображеного сигналу змінюється внаслідок ефекту Доплера (ефект Доплера — зміна довжини хвилі l (чи частоти), бачимо на своєму шляху джерела хвиль щодо їх приймача. Характерний будь-яких хвиль (світло, звуку й т. буд.). Аби наблизитися джерела до приймача l зменшується, а під час видалення зростає на величину l — lо = vlо/c, де lо — довжина хвилі джерела, з — швидкість поширення хвилі, v — відносна швидкість руху джерела.) При радіолокації ефект Доплера проявляється вдвічі сильніше. Літак, який назустріч випромінюваної локатором хвилі, зустрічає частіші коливання електромагнітного поля. Переизлучая їх під час руху, і ще підвищує їх частоту. При видаленні ж літака від локатора частота відображеного сигналу знижується. У приймальню антену потрапляють два сигналу: прямого проходження (від випромінюючої антени) і відбитий мети. У смесителе вони взаємодіють, створюючи разностную частоту биттів, з точністю рівну доплеровской Fд=2foV/C де fo — частота випромінюваного сигналу; З — радіальна швидкість мети; V — швидкість радіохвиль, рівна швидкості світла. Визначити дальність доплеровским локатором не можна, якщо частоту випромінюваних коливань змінювати у деяких межах, тобто. вводити на генератор частотну модуляцію, то з’являється можливість виміряти дальність. Першу досвідчену установку, діючу за таким принципом, побудував відомий учений Б. До. Шембель і використовував її за локації Кримських гір. Нехай частота передавача змінюється по пилообразному закону. Частота відображеного сигналу змінюватиметься також, але з запізненням на кілька днів t, час поширення хвиль до цілі й назад. Якщо частота передавача в який — то момент t 1 дорівнює f 1, то відбитий сигнал повертається з цим ж частотою. Але частота передавача до часу t1 + t встигне змінитися до значення f 1 + (f, й у приймальнику виділиться сигнал биттів із частотою (f.

Эта частота тим більша, що більше відстань до мети. Частотно — модулированные локатори знайшли собі використання у авіації, на судах, і навіть до виконання операції стикування космічних кораблів на орбіті, щоб забезпечити дуже гарну точність визначення дистанції. Найбільшого поширення набув імпульсний спосіб визначення дальності. Роботою імпульсного локатора управляє генератор імпульсів (ДІ), наступних з відносно невисокою частотою повторення — порядку сотень імпульсів в секунду. Потужні імпульси подаються на генератор високої частоти (ГВЧ), вырабатывающий досить потужні короткі імпульси високочастотних (ВЧ) коливань. Через антенний перемикач (АП) ВЧ імпульс вступає у антену і випромінюється. Після випромінювання імпульсу антена підключається до входу приймача (Ін). Поруч із випромінюванням імпульсу запускається генератор розгорнення (ГР), вырабатывающий лінійно дедалі більше пилообразное напруга. Воно надходить на пластини горизонтального відхилення электронно — променевої трубки, екран якої є т.зв. екраном РЛС.

Усиленный і продетектированный сигнал із виходу приймача подається на пластини вертикального відхилення. Що ж можна спостерігати на екрані? Перш лише у на самому початку лінії розгорнення з’явиться потужний імпульс сигналу ВЧ генератора, який є початком шкали дальності. Згодом, потрібна поширення хвиль, прийдуть сигнали від цілей. Промінь до цього часу переміститься правіше. Чим більше мета, то більше з початку розгорнення виявляться відбиті імпульси. Там їх амплітуда буде відповідати інтенсивності відображеного сигналу. Нею як і - то мері можна будувати висновки про величині мети. Визначати дальність на екрані імпульсного локатора не так важко: під лінією розгорнення можна розмістити шкалу. Але, оскільки такий спосіб надто вже несерьезен, в схему локатора запровадили масштабні генератори міток. Шкалу дальності став малювати електронний промінь паралельно з своєю основною призначенням — індикацією цілей. Генератор розгорнення вдосконалювався, наприклад досягнуто можливість «розтягнути» по горизонталі будь-яке місце лінії розгорнення, щоб докладніше розглянути відбиті сигнали в заданому інтервалі дальностей. У описаного індикатора (він отримав назву «індикатор типу «А») є значний недолік: він надає лише дальність, а напрям на мета треба визначати на шкалах поворотного устрою антени. Тому дуже швидко був розроблений інший індикатор (тип У), вживаний у РЛС кругового огляду. Антена цієї станції обертається навколо вертикальної осі, «переглядаючи» все азимутальные напрями від 0 до 360 градусів. Структурна схема РЛС і порядок роботи залишаються незмінними, але індикатор кругового огляду (ИКО) виконано зовсім з — іншому. Пилообразное напруга розгорнення подається на спеціальний кільцевої отклоняющий електрод, і лінія розгорнення відбувається за радіусу — від центру до краю екрана. Вона повертається одночасно з антеною. Для повороту лінії розгорнення звичні отклоняющие пластини X і Y подають синусоїдальні перемінні напруги в квадратурі, тобто. однією пару пластин — косинусоидальное напруга, але в іншу синусоидальное. Частоти цих напруг рівні частоті обертання антени і вони становлять частки герца. Промінь у своїй описував б кола на екрані, але, бо є ще напруга радіальної розгорнення на кільцевому електроді, змінюється значно швидше із частотою повторення випромінюваних імпульсів, промінь креслить лінію розгорнення, обертову разом із обертанням антени. Сигнал із виходу приймача подається на управляючий електрод (сітку) ЕПТ і змушує промінь збільшувати яскравість за наявності що проглядали імпульсів. Таким чином, на екрані ИКО промінь «малює» радіолокаційну карту місцевості. Місце розташування самої РЛС відповідає центру екрана. Локатор кругового огляду добре адресований морської навігації, далекого виявлення повітряних цілей, диспетчерського контролю у аеропортах. Тепер усі частіше переходять до секторному огляду, у якому антена «оглядає» не весь обрій, лише потрібну його частину. Великі наземні РЛС постачають індикаторами кількох типів: кругового огляду щоб виявити цілей і контролю обстановки, типу Щодо точного визначення дальності тощо. Якщо, наприклад, діаграма спрямованості антени може «качатися» ще й з розі місця (при цьому звичайно похиляють всю антену, досить «качати» її опромінювач), то застосовують у доповнення до ИКО індикатор «дальність — висота». У ньому промінь розгортається по радіусу і «гойдається» у певному секторі одночасно з антеною, а координати обрані прямокутними. Такий індикатор наочно покаже і висоту цели.

5. Конструкції окремих елементів РЛС .

Мощный генератор високої частоти для локаторів, що працюють у діапазоні метрових хвиль, виконується на електронні лампи, зазвичай, триодах. Але коливальний контур, що з котушки і конденсатора, непридатний, оскільки котушка для частот кілька десятків і сотні мегагерц мусить бути маленькій, але це несумісне із високої потужністю коливань. Тому котушка вироджується в відрізок двох провідного лінії, виконаною з товстих мідних трубок. Лінія на страивается пересувним короткозамкнутым містком. Симетрична лінія краще всього поєднується із двотактним генератором :

Конденсатора в контурі немає - його роль виконують междуэлектродные ємності ламп. Через них здійснюється і зворотний зв’язок. Частина змінного анодного напруги через ємність анод — катод збуджує інший контур — лінію, включену між катодами ламп. Її настроюванням підбирають потрібну для порушення коливань фазу напруги зворотний зв’язок. Сітки ламп заземляют по високої частоті. Відбір потужності ВЧ коливань здійснюють петлею зв’язку, розташованої поблизу анодною лінії. Напруга анодного харчування подають на короткозамкнутый місток лінії через ВЧ дросель (котушку індуктивності), ізолюючий джерело харчування від ВЧ коливань. Генератор працюватиме у імпульсному режимі, якщо його живити не постійним анодним напругою, а потужними високовольтними імпульсами. Вони генеруються в устрої з тиратроном — газоразрядной лампою, поджигаемой управляючим імпульсом. Поки тиратрон погашений, накопичувальний конденсатор З заряджається через дросель з великою индуктивностью L від високовольтного джерела. Струм заряду невеликий, а час заряду може сягнути періоду повторення імпульсів. Короткий що запускає імпульс запалює тиратрон, і генератор ВЧ виявляється підключеним до накопичувального конденсатору, зарядженому до високого потенціалу (десятки кіловольт). Генерується дуже короткий радіоімпульс, причому анодный струм ВЧ генератора може сягнути десятків ампер. Заряд конденсатора витрачається протягом кількох мікросекунд чи навіть часткою мікросекунди, генерація припиняється, і тиратрон гасне. Конденсатор З знову починає повільно заряджатися через дросель L. Якби ВЧ генератор працював за такої потужності кілька довше, то електроди лампи неминуче розплавилися б, вигоріли чи випарувалися. Тільки завдяки стислості імпульсів нічого немає, сама ж середня потужність генератора виявляється йому невисокою і геть безпечної. Імпульсний модулятор з накопичувальним конденсатором має одне суттєве недолік. Принаймні витрати заряду конденсатора при генеруванні радиоимпульса напруга у ньому швидко падає, і з цим — і потужність високочастотних коливань. Через війну генерується гострий радіоімпульс з пологим спадом. Набагато вигідніше працювати з прямокутними імпульсами, потужність яких впродовж їх тривалості залишається приблизно постійної. Прямокутні імпульси будуть генеруватися описаним генератором, якщо накопичувальний конденсатор замінити штучної довгою лінією, розімкнутої на вільному кінці; наприклад, можна використовувати відрізок коаксіального кабелю. Хвилеве опір лінії має рівнятися опору генератора ВЧ вагань з боку затискачів харчування, тобто. відношенню його анодного напруги до анодному току. У час підпалювання тиратрона вздовж довгою лінії піде хвиля напруги, разряжающая лінію. Процес закінчиться, коли хвиля напруги, позначившись від разомкнутого кінця лінії, повернеться до аноду тиратрона. Лінія буде виряджена повністю, і тиратрон погасне. Отже, тривалість імпульсу визначається довгою лінії дорівнює відношенню подвоєною довжини лінії до швидкості поширення хвиль у ній. Генератори модулирующих імпульсів з штучними довгими лініями отримали саме стала вельми поширеною в радіолокаційної техніці. Для початку дециметровым і сантиметровим хвилях ВЧ генератор з двухпроводными лініями виявився непридатним, оскільки довжина лінії не перевищує чверті довжини хвилі. З іншого боку, час прольоту електрона в лампі більша періоду коливань, що цілком порушує працездатність тріода. Вихід знайшли у використанні об'ємного резонатора. Об'ємний резонатор — обмежений обсяг, у якому можуть порушувати електромагнітні коливання. Зазвичай об'ємний резонатор — замкнута порожнину з які проводять стінками, форма й розміри якої визначають частоту коливань і конфігурацію електричних і магнітних полів, бувають прямокутні, циліндричні, тороидальные та інших. форм. Об'ємним резонатором є й обсяг, заповнений середовищем з ін. електричними і магнітними властивостями. Застосування об'ємних резонаторів дозволило резонансну частоту ВЧ контуру, не зменшуючи його розмірів. Протягом років Другої світової війни були призвані розроблено конструкції принципово нових генераторів сантиметрових хвиль — клистронов і магнетронов. У клистроне електронний промінь формується аналогічно, як в электронно — променевої трубці. Промінь проходить послідовно після двох об'ємних резонатора, налаштованих однією й саму частоту. Якщо до першого резонатору підвести НВЧ коливання, промінь виявиться промодулированным по швидкості. Електрони, пролетевшие резонатор за напівперіод коливань, пришвидшуються, оскільки електричне полі розганяє їх, а електрони, пролетевшие за другий напівперіод, уповільнюються, бо їх гальмує електричне полі, і їх швидкість зменшується. Дорогою до другого резонатору електрони сгруппировываются в «пакети», оскільки швидкі електрони наздоганяють повільні. На ще більшому відстані пакети електронів знову розсіюються. Там, де відбувається угруповання електронів стоїть другий резонатор і порушується пакетами електронів чи хвилями їх просторового заряду. Енергія коливань, віддана електронами у другий резонатор, виявляється значно більше енергії, витраченої на модуляцію електронного променя. За таким принципом діє клістрон — підсилювач. Його неважко перетворити на генератор: досить частина енергії з другого резонатора направити назад, у. У отражательном клистроне генерація здійснюється дещо інакше. Він має лише одне резонатор. Пролетевшие крізь резонатор електрони повертають назад спеціальним електродом — відбивачем, який подано негативний потенціал. Згруповані пакети знову пролітають крізь резонатор, віддаючи запасену енергію. Відбивні клістрони довгі роки служили гетеродинами в радіолокаційних приймачах. Велику колебательную потужність віддає магнетрон — многорезонаторное електронне пристрій. Він має потужний катод як трубки і ще більше потужний анодный блок, виконаний із міді, з профрезерованными у ньому резонаторами. Кожен резонатор відкривається убік катода щілиною. Уся конструкція поміщається між полюсами потужного електромагніта те щоб магнітне полі було спрямовано по осі катода. На анод має подаватися високе позитивне напруга. Магнетроны дали можливість генерувати дуже серйозні імпульсні потужності на сантиметрових хвилях, завдяки чому різко підвищилася дальність дії і точність РЛС. Що ж до приймачів сантиметрових хвиль, то найбільше поширення отримав супергетеродин з кристалічним змішувачем (РМ) на виході. Спеціальний напівпровідниковий діод з малої ємністю р — п переходу монтується просто у волноводе, що йде від антенного перемикача. До принимаемому сигналу додається сигнал місцевого гетеродина, зібраного на малопотужному отражательном клистроне. Частота гетеродина відрізняється від частоти прийнятих імпульсів на значення, однакову проміжної частоті (ПЧ). Проміжна частота вибирається буде в діапазоні 30…100 МГц, тобто. там, де порівняно нескладно отримати неабияке посилення з допомогою електронних ламп чи транзисторов.

Основное посилення сигналу відбувається у тракті ПЧ. Це може досягати 10⁶. Приймаються заходи для вирівнюванню амплітуд сильних і слабких що проглядали сигналів. До них належать підсилювачі ПЧ із логарифмічною амплітудної характеристикою, різні системи автоматичної регулювання посилення. На вході приймача сильні сигнали від ритму близьких об'єктів й слабкі від далеких цілей можуть різнитися на 100…120 дБ. У підсилювачі ПЧ ця різниця зменшується до 20…30 дБ, і всі відображення будуть добре відомі на екрані індикатора. Останніми елементами структурної схеми приймача є детектор і підсилювач видеоимпульсов. Технічні характеристики РЛС великою мірою залежать від конструкції приемо — передавальної антени. Енергію хвиль з хвилеводу на відкрите простір можна передати у вигляді рупорной антени. Хороша рупорна антена мусить бути довгою, оскільки будь-які неоднорідності в волноводе призводять до відображенню що розпросторюється енергії. Перехід від хвилеводу до рупору таки є така неоднорідністю, й тому він має бути досить плавним. Щоб правильно сформувалася діаграма спрямованості, полі раскрыве антени має бути синфазним. Це означає, що коливання поля електромагнітної хвилі у різних точках раскрыва має відбуватися одночасно. Але у поширенні від рупора і вздовж його межі хвиля проходить різний шлях збереження та коливання берегах раскрыва запізнюються щодо коливань у центрі. Якщо різниця шляхів сягає чверті, чи навіть половини довжини хвилі, рупорна антена виявиться неефективною. Для зменшення зазначеної різниці шляхів, рупорные антени роблять довгими. Це ні зручно, у радіолокації воліють дзеркальні антени, а рупор використовують як облучателя дзеркала. Чим більший розміри антени, тим вже її діаграма спрямованості. Кутова ширина діаграми спрямованості (пов’язані з розміром антени формулою (=(/D, де кут (виявляється у радианах.

Стремление збільшити дальність дії призвела до того, що радіолокація, як і ще області техніки, пережила епоху «гігантоманії». Створювалися дедалі більше потужні магнетроны, антени дедалі більших розмірів, устанавливавшиеся на гігантських поворотних платформах. Потужність РЛС досягла 10 і більше мегават в імпульсі. Більш потужні передавачі створювати вже було неможливе: резонатори і волноводы не витримували високої напруженості електромагнітного поля, у яких відбувалися некеровані розряди. З’явилися дані і біологічної небезпеки высококонцентрированного випромінювання РЛС: люди які проживають поблизу РЛС спостерігалися захворювання кровотворної системи, запалені лімфатичні вузли. Згодом з’явилися норми на граничну щільність потоку НВЧ енергії, допустимі до роботи людини (короткочасно допускається до 10 мВт/см²). Нові вимоги, які пред’являються РЛС, сприяли розробці цілком нової техніки, нових принципів радіолокації. Нині на сучасних РЛС імпульс посланий станцією є сигнал, закодований з дуже складного алгоритму (найпоширеніший код Баркера), який дозволяє отримувати дані підвищеної точності й діють ряд додаткових даних про що спостерігається мети. З появою транзисторів і обчислювальної техніки потужні мегаваттные передавачі минули. На їх заміну прийшли складні системи РЛС середньої потужності об'єднані у вигляді ЕОМ. Завдяки впровадженню інформаційних технологій стала можлива синхронна автоматична робота кількох РЛС. Радіолокаційні комплекси постійно вдосконалюються, знаходять нові сфери застосування. Проте ще маса невивченого, тому ця галузь науки ще довго стане в нагоді фізикам, математикам, радиоинженерам; буде об'єктом серйозних наукових робіт і изысканий.

Радиолокация.

———————————- Объект.

R.

РЛС.

(.

Апер

V мМММ.

ГВЧ.

УНЧ.

Cмеситель.

Апр

Випромінюваний сигнал.

t1 + t.

t1.

f1.

t.

F.

f1+(f.

ГВЧ.

АП.

ГИ.

ЭЛТ.

ГР.

Пр

V2.

V1.

ВЧ.

C.

+ Ea.

L.

Гетеродин.

Супергетеродинный приймач РЛС Смеситель Видеоусилитель Детектор

УПЧ.