Какие колебания используют в радиолокации. Принципы радиолокации

Для проведения урока предлагается конспект, сопровождаемый мультимедийной презентацией, которая создана в программе MicrosoftPowerPoint.

Методическая цель - показать возможность использования мультимедийной презентации для проведения лекции по физике на примере темы « Распространение радиоволн. Радиолокация»

1. Восприятие и первичное закрепление нового учебного материала.
2. Ознакомить учащихся со свойствами радиоволн, объяснить принцип радиолокации и

применение.

1. Формирование навыков: анализировать информацию, работать с литературой.

2. Развитие мышления, концентрации внимания, познавательного интереса.

3. 3. Формирование научного мировоззрения.

Повторение:

Что такое электромагнитная волна?

Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

От чего зависит скорость электромагнитной волны?

Что является источником электромагнитных волн?

Что такое дифракция?

Изучение нового материала:

1. Радиосвязь.

2. Понятие об ионосфере.

3. Радиолокация.

4. Расчет пути пройденного Радиосвязь осуществляется на:

5. Длинных 10000 - 1000м радиоволнами.

6. Применение.

Средних 1000 - 100м

Коротких 100 - 10м

Ультракоротких меньше 10м волнах.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, и проникновения их в область за препятствия. Дифракция присуща волнам любой природы.

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ за счет дифракции распространяются далеко за пределами видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.

СРЕДНИЕ ВОЛНЫ испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшее расстояние за пределы прямой видимости.

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принимать в любой точке на поверхности Земли.

Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от и ИОНОСФЕРЫ.

ИОНОСФЕРОЙ называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния 50 км от поверхности Земли, и переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70 - 80 тыс.км.

ОСОБЕННОСТЬЮ ИОНОСФЕРЫ ЯВЛЯЕТСЯ ВЫСОКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ В НЕЙ СВОБОДНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ- ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ.

Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца.

Максимальное значение количества Свободных электронов в ионосфере 2*10- 5*10

Электронов в кубическом сантиметре - достигается на высотах 250-400 км от поверхности Земли.

ПРВОДЯЩИЙ СЛОЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ - ИОНОСФЕРА - СПОСОБЕН ПОГЛОЩАТЬ И ОТРАЖАТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.

От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн.

Хорошо отражаются ионосферой и короткие волны (радио)

Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможность радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле.

Ультракороткие проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

ИТАК:

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ *скользят* вдоль поверхности Земли;

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли;

УЛЬТРОКОРОТКИЕ проникают сквозь ионосферу.

- РАДИОЛОКАЦИЯ -

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ.

Радиолокация - обнаружение и точное определение местонахождение объекта с помощью радиоволн.

В основе принципа радиолокации лежит свойство отражения электромагнитных волн.

Определение пути пройденного радиоволнами:

Если измерить с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени t между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных вол, можно определить путь, пройденный радиоволнами:

C - скорость электромагнитной волны

Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:

Чтобы определить не только расстояние до тела, но и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узконаправленный пучок создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Используются ультракороткие волны.

Вода, суша, влажная почва, городские строения и транспортные коммуникации по-разному

отражают радиоволны. Это позволяет получить своеобразную карту местности, на которой летит самолет, с помощью радиолокационных приборов на самолете.

Облака не являются преградой для электромагнитных волн.

Пеленгация - определение координат, местоположения объектов.

Применение:

1.Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов, при любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлета и посадки.

2.Военное дело: своевременное обнаружение самолетов или ракет противника, автоматическая корректировка огня.

3.Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.

4. Аварийная радиоспасательная служба- в России *КОСПАС* , в США, Канаде, Франции *САРСАТ*.С ее помощью удалось предотвратить гибель многих людей при авариях.

Закрепление материала:

1. На каких принципах основана работа радиолокатора?

Ответ: Работа радиолокатора основана на отражении радиоволн различными препятствиями.

2. Имеются ли существенные различия между условиями распространения радиоволн на Земле и на Луне?

Ответ: Луна не имеет ионосферы. Следовательно радиосвязь на Луне во всех диапазонах может происходить только в пределах прямой видимости. На Земле же радиосвязь на больших расстояниях осуществляется за счет отражения радиоволн от ионосферы и огибания земной поверхности.

3.Решение задач из сборника Рымкевич № 995, № 1009 (ответ 30 км).

Молния представляет собой искровой разряд в атмосфере длительностью несколько десятков микросекунд. Он порождает электромагнитные волны, наибольшая мощность которых приходится на диапазон средних и длинных волн радиоприемников.

Дано: t =200 мкс = 2*10 -4 с

Радиосигнал локатора прошел путь 2l, где l - расстояние до объекта, со скоростью с-скорость света в воздухе.

Тогда 2l=ct. Отсюда

L=ct/2=3*10 8 *2*10 4 c /2=3*10 4 м = 30км.

Ответ: L=30км.

Домашнее задание:

&55, 56, Задача, сборник Рымкевич № 996, 997.

Радиолокация (слайд 3 )– область радиотехники, задачей которой является обнаружение и распознавание различных объектов в пространстве и определение их координат и параметров движения с помощью радиоволн.

Радиолокационная цель – объект радиолокации, то есть материальный объект, сведения о котором представляют практический интерес.

Радиолокационные цели могут быть:

аэродинамические (самолеты, вертолеты, ракеты, аэростаты, воздушные шары);

баллистические или космические (ИСЗ, боеголовки баллистических ракет, космические корабли);

наземные и надводные (танки, корабли).

Радиолокационная информация (РЛИ) (слайд 4 ) – совокупность сведений о целях, полученных средствами радиолокации.

Радиолокационная станция (РЛС) – совокупность технических средств, используемых для получения радиолокационной информации.

Одиночные РЛС обладают ограниченными возможностями по ряду основных показателей выдаваемой ими информации (размерам зоны обзора, составу и точности информации). Для полного удовлетворения требований к качеству радиолокационного обеспечения целесообразно техническое или тактическое объединение нескольких РЛС в радиолокационные комплексы.

Радиолокационный комплекс (РЛК) – совокупность функционально связанных технических средств, устройств, отдельных станций, обеспечивающих получение полного состава радиолокационной информации заданного качества.

Второй учебный вопрос.

Краткая история развития

Одна из важнейших задач радиолокации – применение ее в военной технике с целью обнаружения самолетов, баллистических ракет, космических объектов противника, а также наземных подвижных объектов.

Радиолокация – отличное средство для исследований земной атмосферы и ионосферы, а также для изучения метеоров. Она стала незаменимым помощником метеорологов при определении скорости и направления воздушных течений на различных высотах, а также при наблюдении за облаками, грозовыми фронтами и тайфунами.

Радиолокация широко применяется для астрономических наблюдений соседних космических тел солнечной системы: Луны, Солнца, Венеры, Марса и Юпитера; в гляциологии при определении толщины льда, например, при движении ледоколов; в геологии, геофизике при определении подземных неоднородностей полезных ископаемых, в жилищно-коммунальном хозяйстве для определения подземных коммуникаций и т. д.

Начало развития радиолокации относится к30-м года прошлого столетия, но широкое применение она получила только в годы Великой Отечественной войны. Явление отражения радиоволн от препятствий было открыто А.С.Поповым в 1897 году. Во время экспериментов по радиосвязи между кораблями Попов А.С. обнаружил нарушение связи, когда между этими кораблями проходил третий, от которого радиоволны отражались. А.С.Попов указал, что это явление можно использовать для определения местоположения объектов, радионавигации и радиопеленгации.

Однако состояние радиотехники того времени не позволяло использовать указанное явление в практических целях. Сложность радиолокационной техники требовала предварительной всесторонней и глубокой разработки многочисленных научных и технических проблем радиотехники и в первую очередь решения следующих задач:

Направленного излучения и приема радиоволн.

Создания приборов для измерения времени прохождения радиоволн.

Получение мощных колебаний в диапазоне УКВ.

Развитие радиолокационной техники стало возможным только на базе накопившихся в течение четырех десятилетий, со времени открытия А.С.Попова, теоретических и экспериментальных знаний по радиофизике, радиотехнике, электронике и автоматике.

Работы над созданием радиолокационных станций непрерывного излучения начались в СССР в 1933 году под руководством Ю.К.Коровина, П.К.Ощепкова, Б.К.Шембеля и др. В 1938 году промышленность освоила выпуск радиолокаторов «Ревень» с непрерывным методом излучения, а в 1939 году эта РЛС под названием «РУС-1» (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение частей ВНОС ПВО. Она позволяла предупредить войска о появлении самолетов на 80-100 километровом участке фронта.

С 1934 года в СССР широко развернулись работы по созданию импульсных РЛС. Ученые Ю.Б.Кобзарев, П.А.Погорелко и Н.Я.Чергнцов в 1935 году разработали импульсную РЛС с электронно-лучевым индикатором и «за изобретение прибора для обнаружения самолетов» были удостоены Государственной премии.

В 1939 году производились испытания РЛС «Редут», а в 1941 году «Редут» под названием «РУС-2» (автомобильный вариант) и «Пегматит П-1» (стационарный вариант) была принята на вооружение. Эта станция обнаружения имела дальность действия 100-120 км при высоте полета цели 7000 м.

Эти и ряд других работ позволили создать промышленные образцы радиолокаторов, успешно применявшихся во время Великой Отечественной войны.

Для преподавателя. К середине 1941 года в войсках в Московской и Северных зонах ПВО было развернуто 25-30 РЛС «РУС-2» и 45 комплексов «РУС-1» в Закавказье и на Дальнем Востоке.

В трудные годы войны советские ученые, инженеры-конструкторы разработали и наладили серийный выпуск РЛС различного тактического назначения, что позволило значительно повысить боевые возможности войск (РЛС П-2, П-2М, П-3, П-3А и др.).

После войны развитие радиолокации не только не приостановилось, но и продолжалось в широких масштабах. Это объясняется тем, что радиолокация оказалась грозным оружием и нашла широкое применение ив других родах войск и в народном хозяйстве.

Увеличение скорости, высоты и дальности полета современных летательных аппаратов выдвинуло вопрос о создании РЛС с большой дальностью действия (сотни и тысячи километров), объединения этих станций в комплекс совместно действующих устройств и соединения этого комплекса с системами скоростной обработки данных (ЭВМ) и автоматического управления противовоздушными оборонительными средствами с целью защиты государственных границ и важных промышленных и военных объектов.

В настоящее время развитие радиолокационной техники осуществляется по следующим направлениям:

увеличения дальности действия РЛС;

улучшения качества информации о наблюдаемых объектах;

повышения помехозащищенности, надежности и живучести;

автоматизации процессов управления, обработки и передачи радиолокационной информации.

Такова краткая история развития радиолокации в СССР.

Третий учебный вопрос.

Основные принципы радиолокации

Основной задачей радиолокатора является обнаружение летательного аппарата и определение его местоположения.

Местоположение летательного аппарата относительно РЛС определяется тремя пространственными координатами (рис. 1.1, слайд 5 ):

- наклонной дальностью Д – расстояние от РЛС до объекта по прямой;

- азимутом  – угол в горизонтальной плоскости между направлением на истинный Север и проекцией наклонной дальности;

-углом места  – угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей точку стояния РЛС и цель (Ц), и проекцией этой прямой на горизонтальную плоскость.

Часто третьей координатой вместо угла места  служит высота цели (Н), определяемая соотношением

Н = Д sin 

Решение основной задачи радиолокатора основано на использовании трех принципов радиолокации. (слайд 6 )

Первый принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны способны отражаться от неоднородностей, встречающихся на пути их распространения («вторичное излучение»).

Второй принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны с помощью антенн РЛС можно сконцентрировать в узкий луч.

Третий принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны распространяются в пространстве прямолинейно и с постоянной скоростью (с = 3  10 8 м\с).

Если бы Максвелл не предсказал существование радиоволн, а Герц не открыл их на практике, наша действительность была бы совсем другой. Мы не могли бы быстро обмениваться информацией при помощи радио и мобильных телефонов, исследовать далёкие планеты и звёзды с помощью радиотелескопов, наблюдать за самолётами, кораблями и другими объектами с помощью радиолокаторов.

Каким же образом радиоволны помогают нам в этом?

Источники радиоволн

Источниками радиоволн в природе являются молнии – гигантские электрические искровые разряды в атмосфере, сила тока в которых может достигать 300 тысяч ампер, а напряжение – миллиарда вольт. Молнии мы наблюдаем во время грозы. Кстати, они возникают не только на Земле. Вспышки молний были обнаружены на Венере, Сатурне, Юпитере, Уране и других планетах.

Практически все космические тела (звёзды, планеты, астероиды, кометы и др.) также являются естественными источниками радиоволн.

В радиовещании, радиолокации, спутниках связи, стационарной и мобильной связи, различных системах навигации применяются радиоволны, полученные искусственным путём. Источником таких волн служат высокочастотные генераторы электромагнитных колебаний, энергия которых передаётся в пространство с помощью передающих антенн.

Свойства радиоволн

Радиоволны – это электромагнитные волны, частота которых находится в интервале от 3 кГц до 300 ГГц, а длина - от 100 км до 1 мм соответственно. Распространяясь в среде, они подчиняются определённым законам. При переходе из одной среды в другую наблюдается их отражение и преломление. Присущи им и явления дифракции и интерференции.

Дифракция , или огибание, происходит, если на пути радиоволн встречаются препятствия, размеры которых меньше длины радиоволны. Если же их размеры оказываются бόльшими, то радиоволны отражаются от них. Препятствия могут иметь искусственное (сооружения) или природное (деревья, облака) происхождение.

Отражаются радиоволны и от земной поверхности. Причём, поверхность океана отражает их примерно на 50% сильнее, чем сýша.

Если препятствие является проводником электрического тока, то какую-то часть своей энергии радиоволны отдают ему, а в проводнике создаётся электрический ток. Часть энергии расходуется на возбуждение электротоков на поверхности Земли. Кроме того, радиоволны расходятся от антенны кругами в разные стороны, подобно волнам от брошенного в воду камешка. По этой причине радиоволны со временем теряют энергию и затухают. И чем дальше от источника находится приёмник радиоволн, тем слабее сигнал, дошедший до него.

Интерференция, или наложение, вызывает взаимное усиление или ослабление радиоволн.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света (кстати, свет – это тоже электромагнитная волна).

Как и любые электромагнитные волны, радиоволны характеризуются длиной и частотой волны. С длиной волны частота связана соотношением:

f = c/ λ ,

где f – частота волны;

λ - длина волны;

c - скорость света.

Как видим, чем больше длина волны, тем меньше её частота.

Радиоволны разбиваются на следующие диапазоны : сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие, миллиметровые и децимиллиметровые волны.

Распространение радиоволн

Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.

Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.

Длинные , или километровые , волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.

Средние , или гектометровые , волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.

Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?

Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.

А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.

По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами. Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи.

Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.

Субмиллиметровые , или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.

Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.

Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.

Радиолока́ция - область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн . Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация , однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации - радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Классификация

Выделяют два вида радиолокации:

• Пассивная радиолокация основана на приёме собственного излучения объекта
• При активной радиолокации радар излучает свой собственный зондирующий импульс и принимает его отражённым от цели. В зависимости от параметров принятого сигнала определяются характеристики цели.

Активная радиолокация бывает двух видов:

• С активным ответом - на объекте предполагается наличие радиопередатчика (ответчика), который излучает радиоволны в ответ на принятый сигнал . Активный ответ применяется для опознавания объектов (свой-чужой), дистанционного управления , а также для получения от них дополнительной информации (например, количество топлива, тип объекта и т. д.).
• С пассивным ответом - запросный сигнал отражается от объекта и воспринимается в пункте приёма как ответный.

Для просмотра окружающего пространства РЛС использует различные способы обзора за счёт перемещения направленного луча антенны РЛС:

• круговой
• секторный
• обзор по винтовой линии
• конический
• по спирали
• "V" обзор
• линейный (самолёты ДРЛО типа Ан-71 и А-50 (Россия -Украина) или американские с системой Авакс)

В соответствии с видом излучения РЛС делятся на

• РЛС непрерывного излучения
• Импульсные РЛС

Принцип действия

Радиолокация основана на следующих физических явлениях:

• Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектами с другими электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отражённая волна, также, как и собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
• На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность и угловые координаты цели (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники - Распространение радиоволн . В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения).
• Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых колебаний при взаимном перемещении точек приёма и излучения (эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
• Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение , свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.

Импульсный метод радиолокации

При импульсном методе радиолокации передатчики генерируют колебания в виде кратковременных импульсов , за которыми следуют сравнительно длительные паузы. Причём длительность паузы выбирается исходя из дальности действия РЛС D max .

Сущность метода состоит в следующем:

Передающее устройство РЛС излучает энергию не непрерывно, а кратковременно, строго периодически повторяющимися импульсами, в паузах между которыми происходит приём отражённых импульсов приёмным устройством той же РЛС. Таким образом, импульсная работа РЛС даёт возможность разделить во времени мощный зондирующий импульс, излучаемый передатчиком и значительно менее мощный эхо-сигнал. Измерение дальности до цели сводится к измерению отрезка времени между моментом излучения импульса и моментом приёма, то есть временем движения импульса до цели и обратно.

Дальность действия РЛС

Максимальная дальность действия РЛС зависит от ряда параметров и характеристик как антенной системы станции, так и генератора, и приёмника системы. В общем случае без учёта потерь мощности в атмосфере, помех и шумов дальность действия системы можно определить следующим образом:

При наличии шумов и помех дальность действия РЛС уменьшается.

Влияние помех

Влияние шумов

Влияние атмосферы

Атмосферные потери особенно велики в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и вызываются дождем, снегом и туманом, а в миллиметровом диапазоне также кислородом и парами воды. Наличие атмосферы приводит к искривлению траектории распространения радиоволн (явление рефракции). Характер рефракции зависит от изменения коэффициента преломления атмосферы при изменении высоты. Из-за этого траектория распространения радиоволн искривляется в сторону поверхности земли.

РЛС непрерывного излучения

Используются в основном для определения радиальной скорости движущегося объекта (использует эффект Допплера). Достоинством РЛС такого типа является дешевизна и простота использования, однако в таких РЛС сильно затруднено измерение расстояния до объекта.

Пример: простейший радар для определения скорости автомобиля.

Основные идеи и этапы развития

Как известно, эффект отражения радиоволн открыл А.С. Попов в 1897 году. Но технически использовать удивительный эффект для «дальнего видения» никому не удавалось: волны рассеивались, и на объект локации их попадало меньше одной миллиардной части. Практические работы в области радиолокации начались в 30-х годах. Работы велись практически параллельно в СССР, Германии, Англии и Франции. Естественно, что разработки держались в секрете. Основной целью было обнаружение атак авиации.

В Советском Союзе осознание необходимости средств обнаружения авиации, свободных от недостатков звукового и оптического наблюдения, привела к разворачиванию исследований в области радиолокации. Идея, предложенная молодым артиллеристом Павлом Ощепковым получила одобрение высшего командования: наркома обороны СССР К. Е. Ворошилова и его заместителя - М. Н. Тухачевского .

3 января 1934 года в СССР был успешно проведён эксперимент по обнаружению самолёта радиолокационным методом. Самолёт, летящий на высоте 150 метров был обнаружен на дальности 600 метров от радарной установки. Эксперимент был организован представителями Ленинградского Института Электротехники и Центральной Радиолаборатории. В 1934 году маршал Тухачевский в письме правительству СССР написал: «Опыты по обнаружению самолётов с помощью электромагнитного луча подтвердили правильность положенного в основу принципа». Первая опытная установка «Рапид» была опробована в том же году , в 1936 году советская сантиметровая радиолокационная станция «Буря» засекала самолёт с расстояния 10 километров . Работы по радиолокации были начаты и в УФТИ в Харькове. Первые РЛС в СССР, принятые на вооружение РККА и выпускавшиеся серийно были: РУС-1 – с 1939 года и РУС-2 – с 1940 года.

В 1946 году американские специалисты - Реймонд и Хачертон, бывший сотрудник посольства США в Москве, написали: «Советские учёные успешно разработали теорию радара за несколько лет до того, как радар был изобретён в Англии».

Основным фактором, ограничивающим технические характеристики локаторов, является малая мощность принимаемого сигнала. При этом мощность принимаемого сигнала убывает как четвёртая степень дальности, то есть, чтобы увеличить дальность действия локатора в 10 раз нужно увеличить мощность передатчика в 10000 раз! Естественно на этом пути быстро пришли к пределам, преодолеть которые было далеко не просто. Уже в самом начале развития был осознан тот факт, что имеет значение не сама мощность принимаемого сигнала, а его заметность на фоне шумов приемника. Снижение шумов приемника также было ограничено естественными шумами элементов приемника, например тепловыми. Данный тупик был преодолен на пути усложнения методов обработки принятого сигнала и связанного с этим усложнения формы применяемых сигналов. Развитие радиолокации как научной отрасли знаний шло одновременно с развитием кибернетики и сейчас потребуются специальные исследования, чтобы решить, где именно были получены первые результаты. Следует отметить появление понятия сигнала , который позволил отвлечься от конкретных физических процессов в приемнике, таких как напряжение и ток, и позволил решать стоящие проблемы как математическую задачу о поиске наилучших функциональных преобразованиях функций времени.

Одной из первых работ в этой области была работа Котельникова В. А. об оптимальном приёме сигнала, то есть наилучшем в условии шумов методе обработки сигнала. В результате было доказано, что качество приёма зависит не от мощности сигнала, а от его энергии , то есть произведения мощности на время, таким образом, появилась доказанная возможность увеличения дальности действия за счёт увеличения длительности сигналов, в пределе до непрерывного излучения. Значительным шагом вперед стало отчетливое применение в технике методов статистической теории решений (критерий Неймана-Пирсона) и принятие того факта, что исправное устройство может работать с определённой долей вероятности. Для того, чтобы радиолокационный сигнал при большой длительности позволял измерять дальность и скорость с высокой точностью, потребовались сложные сигналы, в отличие от простых радиолокационных импульсов, изменяющие какие-либо характеристики в процессе генерации. Так. сигналы с линейной частотной модуляцией изменяют частоту колебаний в течение одного импульса, сигналы с фазовой манипуляцией скачкообразно изменяют фазу сигнала, обычно на 180 градусов. При создании сложных сигналов было сформулировано понятие функции неопределённости сигнала, показывающей связь точности измерений дальности и скорости. Необходимость повышения точности измерения параметров стимулировало развитие различных методов фильтрации результатов измерений, например, методов оптимальной нелинейной фильтрации, которые явились обобщением фильтра Калмана на нелинейные задачи. В итоге всех этих разработок теоретическая радиолокация оформилась как самостоятельная сильно математизированная отрасль знаний, в которой значительную роль имеют формализованные методы синтеза , то есть проектирование ведется в известной мере «на кончике пера».

Основными моментами в противостоянии с авиацией были:

• Применение для скрытия самолётов и вертолётов пассивных маскирующих помех в виде распыляемых в воздухе кусочков фольги, отражающей радиоволны. Ответом на это было внедрение в радиолокаторах систем селекции движущихся целей, которая на основе доплеровского эффекта отличает движущиеся самолёты от сравнительно неподвижной фольги.
• Развитие технологий построения самолётов и кораблей, уменьшающих мощность отражённого назад к радиолокатору сигналов, получивших название Стелс . Для этого служат и специальные поглощающие покрытия, и специальная форма, отражающая падающую радиоволну не назад, а в другом направлении.

См. также

Ссылки

• Бистатическая радиолокация [неавторитетный источник? ]

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Радиолокация" в других словарях:

Радиолокация … Орфографический словарь-справочник

Обнаружение и определение местоположения разл. объектов с помощью радиотехн. устройств. Первые радиолокац. станции (РЛС), называемые также радиолокаторами или радарами, появились в Великобритании, СССР и США в кон. 1930 х гг. Принцип действия… … Физическая энциклопедия

- (от радио... и лат. locatio расположение) область науки и техники, предмет которой наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, распознавание, определение их местонахождения и скорости и др.; сам процесс… … Большой Энциклопедический словарь