Радіолокація
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Радіолокація

Радіолокація (від радіо... і лат.(латинський) locatio — розміщення, розташування), галузь науки і техніки, предметом якої є спостереження радіотехнічними методами (спостереження радіолокації) різних об'єктів (цілей) — їх виявлення, розпізнавання, вимір їх координат (визначення місця розташування) і похідних координат і визначення ін. характеристик. Під Р. розуміють також сам процес спостереження (локації) радіолокації об'єктів. За наявності декількох об'єктів Р. повинен забезпечувати необхідний їх дозвіл (роздільне спостереження). Завдання Р. вирішуються за допомогою окремих станцій радіолокацій (РЛС) і складних систем радіолокацій. З Р. тісно пов'язана радіонавігація ; часто їх методи і апаратура практично не розрізняються. Р. — один з найважливіших напрямів сучасною радіоелектроніки .

загрузка...

  Для спостереження радіолокації використовують: ехо-камера-сигнали, віддзеркалення , що утворюються в результаті, радіохвиль від об'єкту, опроміненого РЛС (т.з. Р. із зондуючим випромінюванням); сигнали РЛС, перєїзлучаємиє ретранслюючим пристроєм, що знаходиться на об'єкті, місце розташування якого визначається (Р. з активною відповіддю); власне радіовипромінювання об'єкту — випромінювання радіопристроїв, що знаходяться на об'єкті, або теплове випромінювання самого об'єкту, що визначається його температурою ( пасивна радіолокація ).

  В Р. вимірюють відстань до об'єкту (дальнометрія, або дістанциометрія) напрям приходу сигналів ( пеленгація ), радіальну і кутову швидкості руху об'єкту і т.д. Спостереження радіолокації об'єктів дозволяє також виявляти їх багато характерних особливостей, наприклад визначати параметри льодового покриву водної поверхні, влагосодержаніє атмосфери, розміри і конфігурацію об'єкту і т.п. Дані вимірів можуть бути дискретними (що виробляються через визначених інтервали часу) або безперервними. Об'єкти можуть бути одіночнимі або множинними або бути суцільними утвореннями. Можливе складне (комбіноване) спостереження, наприклад огляд радіолокації простору в деякому секторі, що дозволяє виробляти пошук і виявлення нових об'єктів в цьому секторі і одночасно безперервно отримувати поточні координати вже виявлених об'єктів.

  В основі найбільш поширеного вигляду Р. — Р. з зондуючим випромінюванням — лежить явище віддзеркалення радіохвиль. Простою характеристикою властивостей об'єкту (у напрямі на приймальну антену РЛС при заданому напрямі поля зондуючого випромінювання), що відображають, є т.з. ефективна площа розсіяння (ЕПР) об'єкту s, що дозволяє визначити щільність потоку потужності поля в приймальної антени РЛС П 2 через щільність потоку потужності випромінювання в об'єкту H 1 по формулі

П 1 s = П 2 ×4p R 2 ,

де R — відстань від об'єкту до РЛС. По характеру віддзеркалення або випромінювання радіохвиль об'єкти радіолокацій прийнято розділяти перш за все на зосереджених (під якими розуміють одиночні об'єкти з розмірами, малими в порівнянні з розмірами об'єму, що вирішується РЛС) і розподілених. Розподілені об'єкти, в свою черга, можуть бути поверхневими (наприклад, земна поверхня з ріллею, чагарником, снігом і т.д., поверхню морить або Місяці і т.д.) і об'ємними (наприклад, всілякі неоднорідності в атмосфері — хмари, дощ, сніг, штучні дипольні перешкоди і т.д.). Гладкі поверхні, в яких розміри нерівностей складають незначну долю від довжини опромінюючої хвилі (наприклад, спокійна водна поверхня, бетонне полотно і т.д.), відображають дзеркально тобто при віддзеркаленні спостерігаються певні фазові співвідношення між опромінюючою хвилею і відбитою. При нерівностях, сумірних з довжиною опромінюючої хвилі або великих її, має місце дифузне віддзеркалення хвиль, тобто складання хвиль з випадковими фазами, відбитих від різних елементів поверхні. У загальному випадку реальні поверхні створюють відбиті хвилі, що містять як дзеркальну, так і дифузну компоненту. Зіставляючи розміри одиночного об'єкту не лише з об'ємом вирішуваним РЛС, але і з довжиною хвилі, що випромінюється нею, розрізняють 3 випадки: розміри об'єкту у багато разів більше довжини хвилі (т.з. оптичне розсіяння — поверхневе і краєве), розміри об'єкту і довжина хвилі близькі один до одного (резонансне розсіяння), довжина хвилі набагато перевершує розміри об'єкту (релєєвськоє розсіяння) (див. також Віддзеркалення світла, Розсіяння світла ). Ці випадки розрізняються не лише по інтенсивності віддзеркалення, але і по характеру залежності відбитого сигналу від довжини хвилі і поляризації зондуючого сигналу. Особливий практичний інтерес представляє випадок великої величини відношення розмірів об'єкту до довжини хвилі, оскільки в Р. найбільше вживання мають хвилі сантиметрового (СМ) діапазону, в якому у більшості об'єктів (літаки, кораблі, ракети, космічні апарати) розміри поверхонь і країв у багато разів перевершують довжину хвилі. Для такого (оптичного) розсіяння характерні незалежність ЕПР від поляризації зондуючого сигналу і можливість розділити великий об'єкт на окремі, практично самостійні частини. Як і в оптиці, тут велику роль грають «блискучі крапки» (явище інтенсивного віддзеркалення хвиль від опуклих частин об'єкту), а також гладкі ділянки поверхні, що дзеркально відображають. Розрахунок поверхневого розсіяння хвиль заснований на вживанні оптичних методів (переважно на використанні принципу Гюйгенса — Кирхгофа, згідно з яким відбите поле знаходиться підсумовуванням полів окремих ділянок «освітленої» поверхні). При резонансному розсіянні величина ЕПР різко залежить від довжини хвилі і має максимум (це явище використовують для створення ефективних перешкод роботі РЛС за допомогою скидання з літаків металізованих стрічок завдовжки, рівній половині довжини хвилі). В області релєєвського розсіяння ЕПР об'єкту назад пропорційна четвертій мірі довжини хвилі, прямо пропорційна квадрату об'єму об'єкту і не залежить від його форми. Така залежність пояснює вигоди вживання в Р. порівняно коротких хвиль (наприклад, хвиль СМ діапазону) для виявлення дрібних об'єктів (наприклад, снарядів, капіж дощивши і пр.).

  Поява і розвиток радіолокації. Явище віддзеркалення радіохвиль спостерігав ще Р. Герц в 1886—89. Вплив корабля, що пересікає трасу радіохвиль, на силу сигналу зареєстрував А. С. Попів в 1897. Вперше ідея виявлення корабля по відбитих від нього радіохвилях була чітко сформульована в авторській заявці німецького інженера К. Хюльсмайера (1904), що містила також детальний опис пристрою для її реалізації.

   Інтерференцію незгасаючих радіохвиль, що приходять до приймача по двох дорогах, — від передавача і, після віддзеркалення, від рухомого судна, — вперше спостерігали американський інженер А. Тейлор і Л. Юнг в 1922, а інтерференцію при віддзеркаленні радіохвиль від літака — американський інженер Б. Тревор і П. Картер в 1932. У 1924 англійський учений Е. Еплтон провів виміри висоти шаруючи Кеннеллі — Хевісайда (шар Е іоносфера ) шляхом спостереження посилень, що чергуються, і ослабінь сигналу, викликаних варіюванням частоти коливань в передавачі, що приводить (як і при русі об'єкту, що відображає) до зміни різниці фаз між коливаннями, що прийшли по двох дорогах. У 1925 англійські учені Г. Брейт і М. Тьюв опублікували результати своєї роботи за визначенням висоти шаруючи Кеннеллі — Хевісайда виміром часу запізнювання імпульсного сигналу, відбитого від шару, відносно сигналу, що прийшов уздовж поверхні Землі.

  В СРСР роботи по Р. були розгорнуті з 1933 за ініціативою М. М. Лобанова, під керівництвом Ю. К. Коровіна і П. До. Ощепкова. Перші що практично використалися РЛС, дія яких була заснована на появі биття при пересіченні літаком лінії передавач — приймач, розроблені під керівництвом Д. С. Стогова в 1938. Імпульсний метод Р. розроблений в 1937 в Ленінградському фізико-технічному інституті під керівництвом Ю. Б. Кобзарева .

  Подальший розвиток Р., її впровадження в різні види озброєння і народне господарство пов'язані з освоєнням діапазону СВЧ(надвисокі частоти), вдосконаленням методів Р., впровадженням обчислювальної техніки і використанням досягнень суміжних наук. Особливе значення мала розробка вимірювальних пристроїв радіолокацій для зенітної і корабельної артилерії. Поява і вживання (майже одночасно з Р.) засобів протирадіолокацій — пасивних і активних перешкод, захисних покриттів і пр. (див. Радіоелектронна протидія ), викликали необхідність розробки спеціальних протівопомехових методів і пристроїв. Методами радіолокацій вирішуються всілякі завдання народного господарства, пов'язані з навігацією (див. Навігація, Навігація повітря ), метеорологією> ( див. Радіолокація в метеорології ), аерофотозніманням> (див. Аерометоди ), розвідкою корисних копалини і ін.

  Поява (у 50—60-х рр.) ракетної і космічної техніки ускладнила і розширила завдання Р. Созданіє ракет і космічних літальних апаратів (КЛА) зажадало точного виміру траєкторії і параметрів їх руху з метою управління ними, прогнозування траєкторії точної посадки КЛА на Землю і ін. планети точної географічної прив'язки кількісних результатів наукових вимірів, даних метеорологічної обстановки, фотознімків і т.п. до координат КЛА, виміри взаємного положення КЛА. Одне з досягнень Р. — рішення задачі пошуку і зближення два КЛА, включаючи їх автоматичну стиковку. Для ряду космічних вживань Р. характерний тісний зв'язок систем радіолокацій з системами передачі інформації (в області радіотелеметрії, космічного телебачення і радіозв'язку) і передачі команд, а також з обчислювальними пристроями автоматичного комплексу управління КЛА. Часто ці системи мають загальний канал зв'язку (загальні антени, ланцюги передавальних і приймальних пристроїв), а у ряді випадків працюють із загальним сигналом.

  Важлива сфера застосування Р. — планетна радіолокація, що дозволила шляхом прийому радіосигналів, відбитих від планет, з великою точністю виміряти відстань до них і тим самим понизити погрішність у визначенні основний астрономічної одиниці, уточнити параметри орбіт планет, визначити (по розширенню спектру відбитого радіосигналу) період обертання планет (зокрема, Венери) і здійснити спостереження радіолокації рельєфу поверхні планет. У СРСР Р. Венери, Меркурія, Марса і Юпітера виконав в 1961—63 колектив учених на чолі с В. А. Котельниковим . Див. також Астрономія радіолокації .

  При створенні систем протиракетної оборони (ПРО) Р. повинна вирішувати складні завдання, пов'язані із знищенням ракет противника, у тому числі з виявленням і супроводом ракет і наведенням на них протіворакет.

  Основні принципи і методи радіолокації. Серед багаточисельних принципів і методів Р. слід виділити найбільш важливі, пов'язані з дальністю дії РЛС, виміром дальності, пеленгацією, захистом від пасивних перешкод (метод селекції рухомих цілей), дозволом (метод бічного огляду).

  Дальність дії РЛС, що використовують відбиті сигнали (у відсутності пасивних перешкод), при розташуванні передавача і приймача в одному місці визначається згідно з основним рівнянням Р.:

''

де R — дальність дії; Р — середня потужність зондуючих сигналів; Т — час, протягом якого має бути вироблене виявлення об'єкту або визначення його місця розташування; S е — ефективна площа приймальної антени; Q — тілесний кут, усередині якого ведеться спостереження; Е п енергія відбитого сигналу, яка необхідна для виявлення об'єкту із заданою достовірністю або визначення його місця розташування із заданою точністю; L — коефіцієнт втрат, обумовлених відмінністю реальної системи від ідеальної.

  Модифікації цього рівняння пов'язані із специфічними умовами вживання РЛС. Так, в наземних РЛС виявлення повітряних цілей, очікуваних на деякій висоті, для раціонального використання потужності, випромінюваною антеною, вибирають антени з такою діаграмою спрямованості, щоб у всьому робочому секторі забезпечувалася постійність сигналів, що приймалися, незалежно від дальності. Рівняння дальності дії РЛС, що використовують сигнали, що ретранслюють ( маяком радіолокації ), складаються окремо для 2 однакових відстаней: РЛС — маяк і маяк — РЛС; для кожного з них в залежність дальності від енергетичного потенціалу радіоканалу (від потужності передавача і чутливості приймача) входить R 2 а не R 4 .

  Дальність спостереження радіолокації в діапазоні СВЧ(надвисокі частоти) обмежується кривизною земної поверхні і рівна (у км. )

,

де h 1 і h 2 висоти розташування об'єкту і РЛС над поверхнею Землі (у км. ). Дальність дії значно зростає в діапазоні декаметрових (коротких) хвиль — завдяки їх поширенню з послідовними віддзеркаленнями від іоносфери (в середньому на висоті 300 км. ) і від поверхні Землі (див. Поширення радіохвиль ).

  Відкриття сов.(радянський) ученим Н. І. Кабановим в 1947 явищ далекого розсіяного віддзеркалення від Землі декаметрових хвиль з їх поверненням після віддзеркалення від іоносфери до джерела випромінювання привело до появи принципової можливості створення т.з. іоносферною, або загоризонтною, Р. Загорізонтная Р. може здійснюватися в основному за двома схемами: «на просвіт» — з тим, що великим розноситься передавача і приймача і спостереженням об'єктів, що знаходяться між ними, і з поворотно-похилим зондуванням — з прийомом сигналів, що приходять назад до місця випромінювання ( мал. 1 ).

  Вимір дальності по відбитих сигналах зазвичай виробляється двома способами. У основу першого (т.з. імпульсного) способу покладено випромінювання імпульсу і вимір часу запізнювання відбитого (або що ретранслює) об'єктом імпульсу відносно того, що випромінює. Вимір полегшується, якщо відбитий сигнал не накладається на той, що зондує, тобто об'єкт знаходиться на достатньому видаленні від РЛС. У простому випадку ( мал. 2 ) для реалізації цього способу застосовуються імпульсний передавач, приймач (зазвичай типа супергетеродина), задаючий генератор-синхронізатор для запуску передавача і завдання шкали часу, індикатор осцилографічного типа, за шкалою якого можна відлічувати дальність. Модифікаціями цієї схеми є багатошкальні схеми побудовані за принципом ноніуса, і стежачі схеми — автодалекоміри.

  В основу другого способу покладено спостереження інтерференції двох безперервних хвиль, пов'язаних із зондуючим випромінюванням і віддзеркаленням від об'єкту (або ретрансляцією). При реалізації цього способу із зондуючими коливаннями, частота яких модульована по лінійному закону, в змішувач приймального пристрою ( мал. 3 , а, би) поступають коливання передавача і сигналу, в результаті чого має місце биття між ними з частотою, пропорційній вимірюваній дальності. Після детектування, посилення і обмеження сигнали поступають на частотомір — лічильник частоти биття, шкала якого може бути проградуйована безпосередньо в одиницях дальності.

  Радіальна швидкість об'єкту, як правило, визначається з високою точністю виміром частоти Доплера (див. Доплера ефект ). При цьому здобуття високої роздільної здатності за швидкістю і високій точності її виміру зв'язано із застосуванням сигналів великої тривалості. Проте здобуття високої роздільної здатності по дальності і високій точності її виміру зв'язане із застосуванням широкосмугових сигналів. Тому в Р. доцільно застосовувати складні широкосмугові сигнали з великою базою (з великим твором ширини смуги спектру сигналу на його тривалість). У випадку простих сигналів (наприклад, одиночних монохроматічних імпульсів) розширення спектру сигналу з метою здобуття кращого дозволу по дальності супроводилося б погіршенням дозволу за швидкістю.

  Пеленгація об'єктів може здійснюватися при спостереженні з одного пункту і при рознесеному прийомі. У пристроях, розташованих в одному пункті, широке вживання отримав метод пеленгації шляхом порівняння амплітуд сигналів — амплітудний метод, що дозволяє отримати високу точність у поєднанні з автоматичним стеженням за метою по напряму і високим відношенням сигнал/шум. У простому випадку досить порівняти амплітуди сигналів від об'єкту в двох положеннях діаграми спрямованості антени ( мал. 4 ), щоб по знаку і величині різниці цих сигналів (т.з. сигналу помилки) судити про величину і знак відхилення напряму на об'єкт від рівносигнального (у якому сигнал помилки дорівнює нулю). Після посилення сигнал помилки подається в стежачу систему, яка повертає антену услід за переміщенням об'єкту («стежить» за рівносигнальним напрямом).

  Існують 2 варіанти цього методу. У першому (простішому) необхідний лише один приймальний канал зв'язку з однією антеною. Шляхом механічної або електронної комутації відповідних ланцюгів отримують два положення діаграми спрямованості антени і виробляють сигнал помилки, який управляє такою, що стежить системою. Утворення порівнюваних сигналів реалізується послідовно (у часі). У другому, званим моноімпульсним методом (див. Моноімпульсна радіолокація ), існують 2 окремих приймалень каналу зв'язку з 2 антенами і утворення 1-го і 2-го сигналів відбувається одночасно. Моноімпульсний метод вільний від помилок, сигналів, що викликаються флуктуаціями (неминучими в першому варіанті).

  В РЛС СМ діапазону хвиль перший варіант пеленгації реалізується при конічному скануванні, тобто при обертанні радіопроменя, відхиленого відносно осі дзеркала антени (рівносигнального напряму). Синхронно з обертанням променя виробляються 2 ортогональних напруги, використовуваних для комутації (на виході тракту сигналу) фазових детекторів з метою виділення сигналу помилки. У другому варіанті одночасно існують 4 радіопромені і 2 сигнали помилки (від кожній з ортогональних пар променів).

  Окрім методу порівняння, також застосовується амплітудний метод аналізу тієї, що огинає сигналів, що приймаються, що дозволяє отримати приблизно таку ж точність пеленгації при одночасному огляді вузьким променем сектора, в якому може знаходитися декілька цілей.

  Методи рознесеного прийому дозволяють досягти високої точності пеленгації шляхом виміру різниці часу приходу сигналів. У залежності від вигляду сигналів, що приймаються, такий вимір може вироблятися імпульсним, кореляційним і фазовим способами.

  Великий розвиток в Р. отримав фазовий спосіб пеленгації, заснований на вимірі різниці фаз високочастотних коливань, що приймаються антенами, рознесеними на певну відстань, звану базою. Його гідність — висока точність, що досягається головним чином необхідним збільшенням бази. Метод вільний від погрішностей, що викликаються флуктуаціями сигналу, загального (по амплітуді) для каналів фазової системи. При перетворенні радіочастоти в проміжну (нижчу) частоту в радіоприймачі супергетеродина різниця фаз зберігається незмінною, і її вимір з точністю ~ 1° не представляє технічних труднощів. При реалізації цього методу поважно зберігати ідентичність і стабільність фазових характеристик окремих приймальних каналів, проникних коливання, різниця фаз яких вимірюється, а також підтримувати постійність частоти хвиль, що приймаються, і бази (або здійснювати спеціальний контроль за їх зміною).

  Фазовий метод вельми зручний і для точного виміру кутової швидкості випромінюючого об'єкту. Застосовуючи збільшену базу, можна у багато разів підвищити чутливість системи до зміни кутових координат, отримуючи вимірні різниці фаз коливань при нікчемних кутових переміщеннях об'єкту. Складність виміру цими системами кутових координат і їх похідних обумовлена многоканальностью їх структури, жорсткими вимогами до фазових характеристик каналів, необхідністю використовувати для автоматизації обробки даних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) з високою продуктивністю.

  Розвиток фазових методів виміру кутових координат і їх похідних в Р. було використано в радіоастрономії, де отримали вживання інтерферометри з наддовгою базою (порядка декілька тисяч км. ); з їх допомогою досягають кутового дозволу порядку тисячної частки кутової секунди.

  Велике значення в Р. має метод селекції рухомих цілей — виявлення відбитих цілями сигналів, що маскуються радіохвилями, відбитими від місцевих предметів — будівель, горбів, лісу (при спостереженні літаків, що летять низько, і снарядів або об'єктів, рухомих по землі), або від моря (при спостереженні перископів підводних човнів), що хвилюється, або від «хмари» пасивних дипольних перешкод (при спостереженні повітряних об'єктів) і т.д. При цьому методі, званому також когерентно-імпульсним, фаза радіохвиль, що випромінюють, запам'ятовується з тим, щоб при прийомі сигналу, відбитого від об'єкту, у міру руху об'єкту можна було фіксувати зміну різниці фаз між прийнятим і посланим сигналами; для нерухомого або малорухливого фону перешкод зміни різниці фаз в сусідніх періодах повторень імпульсів близькі до нуля, і за допомогою пристроїв компенсації можна ці сигнали подавити, пропустивши на вихід РЛС лише сигнали від рухомих об'єктів. Відомо 2 способи реалізації такого методу: з передавачем (наприклад, на клістроні, мал. 5 ), фаза коливань в якому може управлятися, і з передавачем (наприклад, на магнетроні, мал. 6 ), фаза коливань якого від посилки до посилки імпульсного сигналу випадкова. У останньому випадку фаза СВЧ(надвисокі частоти) коливань магнетрона запам'ятовується шляхом примусового фазування когерентного гетеродина приймача при кожній посилці зондуючого сигналу.

  Методи оптимальної обробки сигналів (у т.з. когерентних РЛС) дозволили отримувати високу кутову роздільну здатність РЛС, рухомих відносно об'єктів (в т.ч. навіть якщо розміри антени порівняно невеликі, тобто при широкому радіопромені). Так, для картографування місцевості був розроблений метод бічного огляду з синтезованим раськривом антени. У РЛС, що використовують цей метод антена, витягнута уздовж дороги літального апарату (ЛА), приймає від кожного елементарного майданчика місцевості сигнали, запізнювання (у зв'язку з переміщенням ЛА), що розрізняються часом, і частотою Доплера. Т. до. при оптимальній обробці сигнали запам'ятовуються і підсумовуються з відповідними фазовими зрушеннями, то можна отримати ефект синфазного складання сигналів, подібно до того як це відбувалося б при нерухомій синфазній антені з еквівалентним розміром D уподовж лінії дороги, визначуваним переміщенням Л А за час когерентного накопичення сигналу Т:

D = ut,

де u швидкість переміщення ЛА. Унаслідок ефекту Доплера зміна частоти коливань D f для елементів поверхні, рознесених на ширину радіопроменя q = l ld (де l — довжина хвилі, d — діаметр або сторона раськрива антени), рівно

  Отже, після оптимальної обробки сигналу тривалість стислого імпульсу t буде рівна

''

що відповідає гранично досяжній подовжній роздільній здатності уздовж лінії дороги, рівної d = tu (або 1 / 2 d, якщо та ж бортова антена використовується не лише для прийому, але і для опромінення і забезпечує т.ч. подвоєння фазових зрушень відбитих коливань).

  Літ.: Теоретичні основи радіолокації, під ред. Ст Е. Дульовіча, М., 1964; Сучасна радіолокація, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Теоретичні основи радіолокації, під ред. Я. Д. Ширмана, М., 1970; Питання статистичної теорії радіолокації, під ред. Р. П. Тартаковського, т. 1—2, М., 1973—74.

  А. Ф. Богомолов.

Мал. 3. Схема виміру дальності при безперервних частотно-модульованих коливаннях (а) і криві зміни в часі частоти зондуючого (f п ) і відбитого (f 0 ) коливань (б): Т м-коду — період модуляції; 2 r/c — тимчасове запізнювання відбитого сигналу ( r — відстань до мети, з — швидкість світла); t — час.

Мал. 6. Блок-схема псевдокогерентної станції радіолокації з фазованим когерентним гетеродином. Позначення ті ж, що і на мал.(малюнок) 5.

Мал. 4. Схема пеленгації по методу порівняння: Про — рівносигнальний напрям; ОА і 0b — 2 положення максимуму діаграми спрямованості.

Мал. 5. Блок-схема когерентної станції радіолокації: F д — частота Доплера рухомій меті; f 0 — частота, що несе; f пр — проміжна частота; УПЧ — підсилювач проміжної частоти; Ан — антена.

Мал. 2. Схема виміру дальності імпульсним методом: r — відстань до мети.

Мал. 1. Схема загоризонтної радіолокації.