|
Радиолокация
1. Что такое радиолокация?
Радиолокация - область науки и техники, предмет которой - наблюдение
различных объектов (целей) радиотехническими методами: их
обнаружение, распознавание, определение их координат и скорости и др.
Еще А.С. Попов заметил, что радиоволны имеют способность
отражаться. На этом и основан принцип действия радиолокационной
станции. Мощный луч радиолокационного передатчикам фокусируется
большой антенной в направлении исследуемого объекта, фиксируется и
изучается отраженный радиосигнал, на основе чего делаются выводы о
тех или иных характеристиках объекта.
2. Начало радиолокации.
Первые работы по созданию радиолокационных систем начались в
нашей стране в середине 30-х годов. Впервые идею радиолокации
высказал научный сотрудник Ленинградского электрофизического
института (ЛЭФИ) П.К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же
предложил идею импульсного излучения.
16 января 1934 года в Ленинградском физико - техническом институте
(ЛФТИ) под председательством академика А. Ф. Иоффе состоялось
совещание, на котором представители ПВО РККА поставили задачу
обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое
время суток и в любых погодных условиях. За работу взялись несколько
групп изобретателей и ученых. Уже летом 1934 года группа энтузиастов,
среди которых были Б. К. Шембель, В.В. Цимбалин и П. К. Ощепков,
представила членам правительства опытную установку. Проект получил
необходимое финансирование и в 1938 году был испытан макет
импульсного радиолокатора, который имел дальность действия до 50 км
при высоте цели 1,5 км. Создатели макета Ю, Б, Кобзарев, П, А,
Погорелко и Н, Я, Чернецов в 1941 году за разработку радиолокационной
техники были удостоены Государственной премии СССР. Дальнейшие
разработки были направлены в основном на увеличение дальности
действия и повышение точности определения координат. Станция РУС- 2
принятая летом 1940 года на вооружение войск ПВО не имела аналогов в
мире по своим техническим характеристикам , она сослужила хорошую
службу во время Великой Отечественной войны при обороне Москвы от
налетов вражеской авиации. После войны перед радиолокационной
техникой новые сферы применения во многих отраслях народного
хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение.
Радиолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы и
поверхность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и
обнаруживают скопления грозовых облаков. За последние десятилетия
радиолокационная техника неузнаваемо изменилась.
3. Основы радиолокации.
Определение координат цели радаром производится с учетом выбранной
системы координат. Выбор той или иной системы координат связан со
сферой применения радиолокационной установки. Например, наземная
радиолокационная станция (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой
измеряет три координаты цели: азимут, угол места и наклонную даль-
ность.
?
Система координат обзорной РЛС :
? - азимут; ?- угол места; R - наклонная дальность
РЛС такого типа используются на аэродромах . Работает эта станция в
сферической системе координат.
Различают два основных режима работы РЛС : режим обзора (сканиро-
вания) 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 поворачи-
ваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, ска-
нируя 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 от-
раженного 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 радиолока-
ции 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 ра-
даров 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 вы-
делить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов ино-
го происхождения зачастую крайне затруднительно. Ослабление сигнала
при радиолокации вполне поддается расчету , который основан на про-
стых физических соображениях. Если в какой - то точке излучается мощ-
ность Р , то поток мощности через единичную площадку, находящуюся
на расстоянии R , будет пропорционален Р/4?R^2. В знаменателе стоит
площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при
обычной радиосвязи мощность, принятая антенной, обратно пропорцио-
нальна квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимо-
сти пучка энергии - выполняется всегда при распространении волн в сво-
бодном пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощ-
ность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз ( этот коэф-
фициент называется коэффициентом направленного действия антенны,
КНД ), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. Но в радио-
локации радиосигнал преодолевает двойные расстояния, а сама облучае-
мая цель рассеивает энергию по
всем направлениям , и если облучающий цель поток энергии ослабевает
обратно пропорционально R^2 то приходящий к приемнику рассеяный
поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропор-
циональным R^4. Это означает, что для повышения дальности действия
РЛС в два раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика
надо повысить в 16 раз. Столь высокой ценой достигаются высокие ха-
рактеристики современных РЛС.
4. Радиолокационная техника.
Рассмотрим структурные схемы простейших радиолокаторов. Доплеров-
ская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Именно по
такому принципу были построены первые «радиоуловители» самолетов.
Она содержит генератор высокочастотных колебаний ( ГВЧ), передаю-
щую Апер и приемную Апр антенны, смеситель и усилитель низкой часто-
ты биений (УНЧ) . На его выходе включаются либо наушники, либо час-
тотомер.
Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал,
отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но ес-
ли обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от не-
го, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера
(эффект Доплера - изменение длины волны l (или частоты), наблюдае-
мое при движении источника волн относительно их приемника. Характе-
рен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к
приемнику l уменьшается, а при удалении растет на величину l - lо =
vlо/c, где lо - длина волны источника, c - скорость распространения вол-
ны, v - относительная скорость движения источника.)
При радиолокации эффект Доплера проявляется вдвое сильнее. Самолет,
летящий навстречу излучаемой локатором волне, встречает более частые
колебания электромагнитного поля. Переизлучая их во время движения,
он еще повышает их частоту. При удалении же самолета от локатора час-
тота отраженного сигнала понижается. В приемную антенну попадают
два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражен-
ный от цели. В смесителе они взаимодействуют, образуя разностную час-
тоту биений, в точности равную доплеровской Fд=2foV/C
где fo - частота излучаемого сигнала; С - радиальная скорость цели; V -
скорость радиоволн, равная скорости света.
Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту
излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т.е. ввести в ге-
нератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить
дальность. Первую опытную установку, действующую по такому прин-
ципу, построил известный ученый Б. К. Шембель и использовал ее при
локации Крымских гор. Пусть частота передатчика изменяется по пило-
образному 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 t1 + t успеет измениться до значения
f 1 + ? f, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой ?f.
Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - моду-
лированные локаторы нашли свое применение в авиации, на судах, а
также для выполнения операции стыковки космических кораблей на ор-
бите, обеспечивающие очень хорошую точность определения дистанции.
Наибольшее распространение получил импульсный способ определения
дальности. Работой импульсного локатора управляет генератор импуль-
сов (ГИ), следующих с относительно невысокой частотой повторения -
порядка сотен импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на ге-
нератор высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающий очень мощные корот-
кие импульсы высокочастотных (ВЧ) колебаний. Через антенный пере-
ключатель (АП) ВЧ импульс поступает в антенну и излучается. После
излучения импульса антенна подключается ко входу приемника (Пр).
Одновременно с излучением импульса запускается генератор развертки
(ГР), вырабатывающий линейно нарастающее пилообразное напряжение.
Оно поступает на пластины горизонтального отклонения электронно -
лучевой трубки, экран которой и является т.н. экраном РЛС.
Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается
на пластины вертикального отклонения. Что же можно наблюдать на эк-
ране? Прежде всего в самом начале линии развертки появится мощный
импульс сигнала ВЧ генератора, который служит началом шкалы дально-
сти. Спустя некоторое время, нужное для распространения волн, придут
сигналы от целей. Луч к этому времени переместится правее. Чем дальше
цель, тем дальше от начала развертки окажутся отраженные импульсы. А
их амплитуда будет соответствовать интенсивности отраженного сигна-
ла. По ней в какой - то мере можно судить о величине цели. Определять
дальность на экране импульсного локатора достаточно просто: под лини-
ей развертки можно расположить шкалу. Но, поскольку такой способ уж
очень несерьезен, в схему локатора ввели масштабные генераторы меток.
Шкалу дальности стал рисовать электронный луч параллельно со своим
основным назначением - индикацией целей. Генератор развертки совер-
шенствовался, например достигнута возможность «растянуть» по гори-
зонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть от-
раженные сигналы в заданном интервале дальностей. У описанного ин-
дикатора ( он получил название «индикатор типа «А») есть существен-
ный недостаток: он дает только дальность, а направление на цель надо
определять по шкалам поворотного устройства антенны. Поэтому очень
скоро был разработан другой индикатор (тип В), используемый в РЛС
кругового обзора. Антенна этой станции вращается вокруг вертикальной
оси, «просматривая» все азимутальные направления от 0 до 360 градусов.
Структурная схема РЛС и порядок работы остаются прежними, но инди-
катор кругового обзора (ИКО) выполнен совсем по - другому. Пилооб-
разное напряжение развертки подается на специальный кольцевой от-
клоняющий электрод, и линия развертки проходит по радиусу - от центра
к краю экрана. Она поворачивается синхронно с антенной. Для поворота
линии развертки на обычные отклоняющие пластины X и Y подают си-
нусоидальные переменные напряжения в квадратуре, т.е. на одну пару
пластин - косинусоидальное напряжение, а на другую синусоидальное.
Частоты этих напряжений равны частоте вращения антенны и составляют
доли герца. Луч при этом описывал бы круги на экране, но , поскольку
имеется еще напряжение радиальной развертки на кольцевом электроде,
изменяющееся значительно быстрее с частотой повторения излучаемых
импульсов, луч чертит линию развертки, вращающуюся вместе с
вращением антенны.
Сигнал с выхода приемника подается на управляющий электрод (сетку)
ЭЛТ и заставляет луч увеличивать яркость при наличии отраженных им-
пульсов. Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную
карту местности. Место расположения самой РЛС соответствует центру
экрана. Локатор кругового обзора хорошо подходит для морской навига-
ции, дальнего обнаружения воздушных целей, диспетчерского контроля
в аэропортах. Теперь все чаще переходят к секторному обзору, при кото-
ром антенна «осматривает» не весь горизонт, а только нужную его часть.
Большие наземные РЛС снабжают индикаторами нескольких типов: кру-
гового обзора для обнаружения целей и контроля обстановки, типа А для
точного определения дальности и т.д. Если, например, диаграмма на-
правленности антенны может «качаться» еще и по углу места (для этого
обычно не наклоняют всю антенну, достаточно «качать» ее облучатель ),
то применяют в дополнение к ИКО индикатор «дальность - высота». В
нем луч развертывается по радиусу и «качается» в некотором секторе
синхронно с антенной, а координаты выбраны прямоугольными. Такой
индикатор наглядно покажет и высоту цели.
5. Конструкции отдельных элементов РЛС .
Мощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диа-
пазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как прави-
ло, триодах. Но колебательный контур, состоящий из катушки и конден-
сатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни
мегагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощно-
стью колебаний. Поэтому катушка вырождается в отрезок двух
проводной линии, выполненной из толстых медных трубок. Линия на
страивается передвижным короткозамкнутым мостиком. Симметричная
линия лучше всего совмещается с двухтактным генератором :
Конденсатора в контуре нет - его роль выполняют междуэлектродные
емкости ламп. Через них осуществляется и обратная связь. Часть пере-
менного анодного напряжения через емкость анод - катод возбуждает
другой контур - линию, включенную между катодами ламп. Ее настрой-
кой подбирают нужную для возбуждения колебаний фазу напряжения
обратной связи. Сетки ламп заземляют по высокой частоте. Отбор мощ-
ности ВЧ колебаний осуществляют петлей связи, расположенной вблизи
анодной линии. Напряжение анодного питания подают на короткозамк-
нутый мостик этой линии через ВЧ дроссель (катушку индуктивности),
изолирующий источник питания от ВЧ колебаний. Генератор будет ра-
ботать в импульсном режиме, если его питать не постоянным анодным
напряжением, а мощными высоковольтными импульсами. Они генери-
руются в устройстве с тиратроном - газоразрядной лампой, поджигаемой
управляющим импульсом. Пока тиратрон погашен, накопительный кон-
денсатор С заряжается через дроссель с большой индуктивностью L от
высоковольтного источника. Ток заряда невелик, а время заряда может
достичь периода повторения импульсов. Короткий запускающий им-
пульс поджигает тиратрон, и генератор ВЧ оказывается подключенным к
накопительному конденсатору, заряженному до высокого потенциала
(десятки киловольт). Генерируется очень короткий радиоимпульс, при-
чем анодный ток ВЧ генератора может достичь десятков ампер. Заряд
конденсатора расходуется в течение нескольких микросекунд или даже
долей микросекунды, генерация прекращается, и тиратрон гаснет. Кон-
денсатор С снова начинает медленно заряжаться через дроссель L. Если
бы ВЧ генератор работал при такой мощности несколько дольше, то
электроды лампы неминуемо расплавились бы , выгорели или испари-
лись. Только благодаря краткости импульсов ничего этого не происхо-
дит, а средняя мощность генератора оказывается для него невысокой и
вполне безопасной.
Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один
существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора
при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с
ним - и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерирует-
ся остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее
работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение
их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные им-
пульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопитель-
ный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой
на свободном конце; например, может использоваться отрезок коакси-
ального кабеля. Волновое сопротивление линии должно равняться сопро-
тивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е.
отношению его анодного напряжения к анодному току. В момент поджи-
гания тиратрона вдоль длинной линии пойдет волна напряжения, разря-
жающая линию. Процесс закончится, когда волна напряжения, отразив-
шись от разомкнутого конца линии, вернется к аноду тиратрона. Линия
будет разряжена полностью, и тиратрон погаснет. Таким образом, дли-
тельность импульса определяется длинной линии и равна отношению уд-
военной длины линии к скорости распространения волн в ней. Генерато-
ры модулирующих импульсов с искусственными длинными линиями по-
лучили самое широкое распространение в радиолокационной технике.
Для перехода к дециметровым и сантиметровым волнам ВЧ генератор с
двухпроводными линиями оказался непригодным, поскольку длина ли-
нии составляет менее четверти длины волны. Кроме того, время пролета
электрона в лампе оказывается больше периода колебаний , что полно-
стью нарушает работоспособность триода. Выход был найден в исполь-
зовании объемного резонатора . Объемный резонатор - ограниченный
объем, внутри которого могут возбуждаться электромагнитные колеба-
ния. Обычно объемный резонатор - замкнутая полость с проводящими
стенками, форма и размеры которой определяют частоту колебаний и
конфигурацию электрических и магнитных полей, бывают прямоуголь-
ные, цилиндрические, тороидальные и др. форм. Объемным резонатором
является также объем, заполненный средой с др. электрическими и маг-
нитными свойствами. Применение объемных резонаторов позволило по-
высить резонансную частоту ВЧ контура , не уменьшая его размеров.
В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принци-
пиально новых генераторов сантиметровых волн - клистронов и магне-
тронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как
это происходит в электронно - лучевой трубке. Луч проходит последова-
тельно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же час-
тоту. Если к первому резонатору подвести СВЧ колебания, луч окажется
промодулированным по скорости. Электроны, пролетевшие резонатор за
один полупериод колебаний, ускоряются, поскольку электрическое поле
разгоняет их, а электроны, пролетевшие за второй полупериод, замедля-
ются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшает-
ся. По пути ко второму резонатору электроны сгруппировываются в «па-
кеты» , поскольку быстрые электроны догоняют медленные. На еще
большем расстоянии пакеты электронов снова рассеиваются. В том мес-
те, где происходит группировка электронов стоит второй резонатор и
возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного
заряда. Энергия колебаний , отдаваемая электронами во второй резона-
тор, оказывается намного больше энергии , затраченной на модуляцию
электронного луча. По такому принципу действует клистрон - усилитель.
Его нетрудно превратить в генератор: достаточно часть энергии из вто-
рого резонатора направить обратно, в первый. В отражательном клистро-
не генерация осуществляется несколько иначе. Он содержит только один
резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются об-
ратно специальным электродом - отражателем, на который подан отри-
цательный потенциал. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь
резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны дол-
гие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках.
Большую колебательную мощность отдает магнетрон - многорезонатор-
ное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и
еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезеро-
ванными в нем резонаторами. Каждый резонатор открывается в сторону
катода щелью. Вся конструкция помещается между полюсами мощного
электромагнита так, чтобы магнитное поле было направлено по оси ка-
тода. На анод должно подаваться высокое положительное напряжение.
Магнетроны дали возможность генерировать очень большие импульсные
мощности на сантиметровых волнах, благодаря чему резко повысилась
дальность действия и точность РЛС.
Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее рас-
пространение получил супергетеродин с кристаллическим смесителем
(СМ) на выходе . Специальный полупроводниковый диод с малой емко-
стью р - п перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антен-
ного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал мест-
ного гетеродина , собранного на маломощном отражательном клистроне.
Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых импульсов на
значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота
выбирается в диапазоне 30...100 МГц, т.е. там, где сравнительно не-
сложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или
транзисторов.
Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ . Оно может дости-
гать 10^6. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и
слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логариф-
мической амплитудной характеристикой , различные системы автомати-
ческой регулировки усиления. На входе приемника сильные сигналы от
близких объектов и и слабые от далеких целей могут различаться на
100...120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20...30 дБ, и
тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Послед-
ними элементами структурной схемы приемника являются детектор и
усилитель видеоимпульсов.
Технические характеристики РЛС во многом зависят от конструкции
приемо - передающей антенны. Энергию волн из волновода в открытое
пространство можно передать посредством рупорной антенны. Хорошая
рупорная антенна должна быть длинной , поскольку любые неоднород-
ности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии.
Переход от волновода к рупору как раз и является такой неоднородно-
стью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Чтобы правильно
сформировалась диаграмма направленности , поле в раскрыве антенны
должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромаг-
нитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одно-
временно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна
проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают от-
носительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти,
или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффек-
тивной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны
делают длинными. Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации пред-
почитают зеркальные антенны , а рупор используют в качестве облучате-
ля зеркала . Чем больше размеры антенны , тем уже ее диаграмма на-
правленности. Угловая ширина диаграммы направленности ? связана с
размером антенны формулой ?=?/D , где угол ? выражается в ра-
дианах.
Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиоло-
кация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гиганто-
мании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все боль-
ших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платфор-
мах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более
мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резо-
наторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электро-
магнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились
данные и о биологической опасности высококонцентрированного излу-
чения РЛС : у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболева-
ния кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со време-
нем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии,
допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10
мВт/см^2).
Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совер-
шенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее
время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет
собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму ( наиболее
распространен код Баркера), позволяющий получать данные
повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой
цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные
мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные
системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ.
Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна
синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные
комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы
применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область
науки еще долго будет интересна физикам, математикам,
радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий.
Радиолокация
1
| |
