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 дальность.
Объект
R
РЛС
?
ß
Система координат обзорной РЛС :
? - азимут; ß- 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 (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. Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету , который основан на простых физических соображениях. Если в какой - то точке излучается мощность 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 пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимости пучка энергии - выполняется всегда при распространении волн в свободном пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз ( этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, КНД ), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. Но в радиолокации радиосигнал преодолевает двойные расстояния, а сама облучаемая 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 пропорциональным 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 характеристики современных РЛС.
4. Радиолокационная техника.
Рассмотрим структурные схемы простейших радиолокаторов. Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Именно по такому принципу были построены первые «радиоуловители» самолетов. Она содержит генератор высокочастотных колебаний ( ГВЧ), передающую Апер и приемную Апр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ) . На его выходе включаются либо наушники, либо частотомер.
Апер
V мМММ ГВЧ
УНЧ
Cмеситель
Апр
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 (эффект Доплера - изменение длины волны l (или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен 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 волны, 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 частота отраженного сигнала понижается. В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отраженный от цели. В смесителе они взаимодействуют, образуя разностную частоту 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 генератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить дальность. Первую опытную установку, действующую по такому принципу, построил известный ученый Б. К. Шембель и использовал ее при локации Крымских гор. 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 t1 + t успеет измениться до значения
f 1 + ? f, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой ?f.
Излучаемый сигнал t1 + t t1 f1 t
F
f1+?f
Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - модулированные локаторы нашли свое применение в авиации, на судах, а также для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, обеспечивающие очень хорошую точность определения дистанции.
Наибольшее распространение получил импульсный способ определения дальности. Работой импульсного локатора управляет генератор импульсов (ГИ), следующих с относительно невысокой частотой повторения - порядка сотен импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на генератор высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающий очень мощные короткие импульсы высокочастотных (ВЧ) колебаний. Через антенный переключатель (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.
ГВЧ
АП
ГИ
ЭЛТ ГР Пр
Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается на пластины вертикального отклонения. Что же можно наблюдать на экране? Прежде всего в самом начале линии развертки появится мощный импульс сигнала ВЧ генератора, который служит началом шкалы дальности. 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 сигнала. По ней в какой - то мере можно судить о величине цели. Определять дальность на экране импульсного локатора достаточно просто: под линией 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 совершенствовался, например достигнута возможность «растянуть» по горизонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть отраженные сигналы в заданном интервале дальностей. У описанного индикатора ( он получил название «индикатор типа «А») есть существенный 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 индикатор кругового обзора (ИКО) выполнен совсем по - другому. Пилообразное напряжение развертки подается на специальный кольцевой отклоняющий 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 синусоидальные 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 импульсов. Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную карту местности. Место расположения самой РЛС соответствует центру экрана. Локатор кругового обзора хорошо подходит для морской навигации, дальнего обнаружения воздушных целей, диспетчерского контроля в аэропортах. Теперь все чаще переходят к секторному обзору, при котором антенна «осматривает» не весь горизонт, а только нужную его часть. Большие наземные РЛС снабжают индикаторами нескольких типов: кругового обзора для обнаружения целей и контроля обстановки, типа А для точного определения дальности и т.д. Если, например, диаграмма направленности 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 .
V2 V1
ВЧ
C + Ea
L
Мощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диапазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как правило, триодах. Но колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни мегагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощностью 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 переменного анодного напряжения через емкость анод - катод возбуждает другой контур - линию, включенную между катодами ламп. Ее настройкой подбирают нужную для возбуждения колебаний фазу напряжения обратной связи. Сетки ламп заземляют по высокой частоте. Отбор мощности ВЧ колебаний осуществляют петлей связи, расположенной вблизи анодной линии. Напряжение анодного питания подают на короткозамкнутый мостик этой линии через ВЧ дроссель (катушку индуктивности), изолирующий источник питания от ВЧ колебаний. Генератор будет работать в импульсном режиме, если его питать не постоянным анодным напряжением, а мощными высоковольтными импульсами. Они генерируются в устройстве с тиратроном - газоразрядной лампой, поджигаемой управляющим импульсом. Пока тиратрон погашен, накопительный конденсатор С заряжается через дроссель с большой индуктивностью L от высоковольтного источника. Ток заряда невелик, а время заряда может достичь периода повторения импульсов. Короткий запускающий импульс поджигает тиратрон, и генератор ВЧ оказывается подключенным к накопительному конденсатору, заряженному до высокого потенциала (десятки киловольт). Генерируется очень короткий радиоимпульс, причем анодный ток ВЧ генератора может достичь десятков ампер. Заряд конденсатора расходуется в течение нескольких микросекунд или даже долей микросекунды, генерация прекращается, и тиратрон гаснет. Конденсатор 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 испарились. Только благодаря краткости импульсов ничего этого не происходит, 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 генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце; например, может использоваться отрезок коаксиального кабеля. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е. отношению его анодного напряжения к анодному току. В момент поджигания тиратрона вдоль длинной линии пойдет волна напряжения, разряжающая линию. Процесс закончится, когда волна напряжения, отразившись от разомкнутого конца линии, вернется к аноду тиратрона. Линия будет разряжена полностью, и тиратрон погаснет. Таким образом, длительность импульса определяется длинной линии и равна отношению удвоенной длины линии к скорости распространения волн в ней. Генераторы модулирующих импульсов с искусственными длинными линиями получили самое широкое распространение в радиолокационной технике.
Для перехода к дециметровым и сантиметровым волнам ВЧ генератор с двухпроводными линиями оказался непригодным, поскольку длина линии составляет менее четверти длины волны. Кроме того, время пролета электрона в лампе оказывается больше периода колебаний , что полностью нарушает работоспособность триода. Выход был найден в использовании объемного резонатора . Объемный резонатор - ограниченный объем, внутри которого могут возбуждаться электромагнитные колебания. Обычно объемный резонатор - замкнутая полость с проводящими стенками, форма и размеры которой определяют частоту колебаний и конфигурацию электрических и магнитных полей, бывают прямоугольные, цилиндрические, тороидальные и др. форм. Объемным резонатором является также объем, заполненный средой с др. электрическими и магнитными свойствами. Применение объемных резонаторов позволило повысить резонансную частоту ВЧ контура , не уменьшая его размеров.
В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принципиально новых генераторов сантиметровых волн - клистронов и магнетронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как это происходит в электронно - лучевой трубке. Луч проходит последовательно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же частоту. 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, замедляются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшается. По пути ко второму резонатору электроны сгруппировываются в «пакеты» , поскольку быстрые электроны догоняют медленные. На еще большем расстоянии пакеты электронов снова рассеиваются. В том месте, где происходит группировка электронов стоит второй резонатор и возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного заряда. Энергия колебаний , отдаваемая электронами во второй резонатор, оказывается намного больше энергии , затраченной на модуляцию электронного луча. По такому принципу действует клистрон - усилитель. Его нетрудно превратить в генератор: достаточно часть энергии из второго резонатора направить обратно, в первый. В отражательном клистроне генерация осуществляется несколько иначе. Он содержит только один резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются обратно специальным электродом - отражателем, на который подан отрицательный потенциал. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны долгие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках. Большую колебательную мощность отдает магнетрон - многорезонаторное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезерованными 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 катода. 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 распространение получил супергетеродин с кристаллическим смесителем (СМ) на выходе . Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью р - п перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного 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 несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов.
Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ . Оно может достигать 10^6. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой , различные системы автоматической 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. Последними 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 неоднородности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как раз и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности , поле в раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают относительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти, или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными. Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны , а рупор используют в качестве облучателя зеркала . Чем больше размеры антенны , тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы направленности ? связана с размером антенны формулой ?=?/D , где угол ? выражается в радианах.
Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС : у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем 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 совершенно 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.
