Радиолокация

Введение
Радиолокация представляет собой средство расширения возможностей человека определять наличие и положение объектов за счет использования явлений отражения радиоволн этими объектами. Ее ближайшим конкурентом при выполнении этих функций является оптическая техника, включающая телескопы, которые обладают высокой точностью и обычно имеют фотографические регистрирующие устройства. Преимущество радиолокационных средств по сравнению с оптическими состоит в том, что радиолокационные устройства могут работать в темноте и сквозь облака, обладают большой дальностью действия и позволяют определять дальность до объекта со значительно большей точностью, нежели оптические устройства. Хотя световые волны также являются электромагнитными, но в радиолокации частота их намного ниже. Это позволяет применять радиотехнические методы и схемы. Развитие радиолокации явилось важной частью технической революции двадцатого века. Военная техника, использующая принципы радиолокации, впервые была создана перед самым началом второй мировой войны; с этого времени наблюдается быстрый и непрерывный прогресс в указанной области.
Основная идея радиолокации состоит в том, что электромагнитные волны распространяются через атмосферу по определенным законам с известной скоростью, приблизительно равной скорости света в вакууме. Любые препятствия или изменения характеристик среды на пути распространения радиоволн приводят к возникновению отражений, которые могут быть обнаружены и, таким образом, становятся источником информации о наличии и свойствах таких препятствий или изменений.
Радиолокация
Радиолокация - обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью радиотехнических устройств. Первые радиолокационные станции (РЛС), называемые также радиолокаторами или радарами, появились в Великобритании, СССР и США в кон. 1930-х гг.
Принцип действия систем радиолокации состоит в обнаружении и регистрации вторичных радиоволн, отражённых (рассеянных) наблюдаемыми объектами (см. Отражение радиоволн, Рассеяние радиоволн) при облучении их электромагнитными волнами радиолокаций передатчика. Приём вторичных радиоволн направленной антенной позволяет определять угол положение объектов относительно радиолокатора, а измерение времени запаздывания отражённых сигналов по отношению к сигналам передатчика - удаление объектов от радиолокатора. Уравнение Р. для мощности РТ принятого сигнала
где Pt - излучаемая мощность, Gt - усиление антенны на передачу, s - эфф. площадь рассеяния (ЭПР) объекта, Аr - эфф. площадь поглощения приёмной антенны, R - дальность объекта Р.
Основные методы радиолокации. Наибольшее распространение получила активная импульсная Р. Вследствие того, что излучение зондирующего импульса заканчивается раньше прихода отражённого сигнала, для передачи и приёма в импульсных РЛС служит одна и та же антенна. Широкое применение в передающих устройствах РЛС нашли магнетроны, однако в большинстве современных РЛС передатчик построен по схеме усилителя электрических колебаний (с выходным каскадом на клистроне или лампе бегущей волны)и имеет задающий ВЧ-генератор, служащий также источником гетеродинного напряжения приёмника, а процессор сигнала представляет собой цифровое устройство, на к-рое принятые сигналы поступают после аналогово-цифрового преобразователя. Устройство отображения выполняется обычно на приёмных электронно-лучевых трубках и даёт наглядную координатную и дополнит информацию о наблюдаемых объектах, контролируемых зонах пространства и имеющихся помехах (напр., гидрометеорах). Направление на объект Р. в РЛС с механически управляемой антенной определяют по угловому её положению, при котором величина принимаемого сигнала достигает максимума; в РЛС с электронно управляемым лучом вместо угол положения антенны измеряют угол положение луча относительно нормали к раскрыву антенны.
Рис. 1.
Макс. дальность Rмакс обнаружения может быть выражена через энергию зондирующего сигнала Et, для которого приёмник представляет собой согласованный фильтр:
где Еш - энергия шума в приёмной системе, ;r - отношение сигнала к шуму, обеспечивающее обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог, h < 1 - коэффициент потерь полезной энергии. Вероятность обнаружения D и вероятность ложных тревог Fл. т. - связанные параметры. Простейший вид эта связь имеет для обнаружения по одному импульсу сигнала с рэлеевским распределением амплитуды:
Требуемая энергия зондирования может быть сосредоточена в одном импульсе или в группе из n когерентных импульсов (т. е. импульсных "вырезок" из единого синусоидального колебания; при этом напряжение сигнала на выходе возрастает в n раз в сравнении с одним импульсом). Возможно также увеличить энергию сигнала за счёт некогерентного интегрирования импульсов на видеочастоте; в этом случае не потребуется поддержания определённых фазовых соотношений между импульсами на высокой и промежуточной частотах, но напряжение на интеграторе будет возрастать только как  В теории Р. доказывается, что существует. оптимальный приём, при котором достигается наибольшее возможное при данной энергетике превышение сигнала над шумом на выходе "согласованного фильтра" (фильтра электрического, импульсная характеристика которого является "зеркальным отражением" на оси времени). Когерентный приём позволяет приблизить энергетику РЛС к теоретическому пределу. При когерентном приёме может существенно проявляться отличие несущей частоты отражённого подвижным объектом сигнала от частоты облучающего сигнала. Эта разность, называемая доплеровским сдвигом частоты,  где up - радиальная скорость объекта, l - длина волны (см.  HYPERLINK "http://bourabai.ru/physics/1127.html" \o "Эффект доплера" Доплера эффект ).При длительности пачки tк когерентно накопляемых импульсов полоса частот пачки и полоса доплеровского фильтра равны Dfк = 1/tк. При fд > Dfк возможно выделять сигналы подвижных объектов на фоне неподвижных предметов или земной поверхности, находящейся на той же дальности. РЛС, использующие данный эффект, наз. импульсно-доплеровскими.
В Р. применяется и др. способ выделения сигналов подвижных объектов на фоне мешающих отражений - селекция движущихся целей, основанная на черсс-периодном вычитании последовательно принимаемых сигналов на промежуточной частоте.
По характеру функционирования радиолокаторы разделяются на 2 осн. класса: РЛС обзора и РЛС сопровождения. РЛС обзора периодически зондируют все угл. направления сектора ответственности, обнаруживают движущиеся объекты и прокладывают трассы их движения в проекции на земную поверхность (двухкоординатные РЛС) или в пространстве (трёхкоординатные РЛС). Период осмотра пространственного сектора пропорционален ср. мощности зондирующих сигналов РЛС. РЛС сопровождения в течение всего рабочего цикла измеряет координаты движущихся относительно РЛС объектов. Многофункциональные РЛС совмещают обзор и сопровождение. В полной мере многофункциональность реализуется в РЛС с фазируемой антенной решёткой (ФАР), обеспечивающей практически безынерционное перемещение антенного луча в угл. секторе, достигающем для плоской ФАР 120° (рис. 2; по горизонтали - время, по вертикали-угл. положение антенного луча по азимуту; вытянутые по оси времени прямоугольники отображают процесс обзора; горизонтальный размер малых прямоугольников - время обслуживания одного угла направления, на протяжении которого обзор пространства прерывается). На каждом азимуте луч шириной q задерживается на время te зондирования сектора ответственности по углу места (на рис. не показан), после чего цикл повторяется на смежном азимуте. Наряду с обзором ведётся сопровождение объектов на азимутах b1 и b2.
Основные параметры РЛС. Разрешающая способность и точность определения координат являются коррелиров. характеристиками РЛС.
Разрешающая способность по угл. координате приближённо равна ширине q антенного луча, а среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки сопровождения
где r - отношение сигнала к шуму по мощности, h - число эффективно интегрируемых выборок для системы сопровождения. Помимо шумовой ошибки имеются др. случайные ошибки, так что как бы велик ни был сигнал, угл. ошибка не стремится к нулю. Из наиб. распространённых способов измерения угл. координат ("на проходе", путём конич. сканирования, переключением диаграммы, моноимпульсным методом - см. рис. 3) наиб. точность даёт последний метод. В сантиметровом диапазоне достигнута минимальная суммарная ошибка измерения угла порядка 0,01 q. Разрешающая способность РЛС по дальности DR = где Dfс - ширина спектра зондирующего сигнала. Среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки измерения дальности при сопровождении
Рис. 2.
Рис. 3.
Для увеличения дальности действия РЛС необходимо повышать энергию зондирования, что достигается либо увеличением мощности в импульсе, либо увеличением его длительности. Второй путь предпочтительнее, т. к. устраняет ряд инженерных проблем, связанных с более высокими электрич. напряжениями. Но для сохранения при более длит. импульсах заданного разрешения по дальности требуется внутриимпульсная частотная модуляция (ЧМ) или фазокодовая модуляция (ФКМ), обеспечивающая ширину спектра Dfс зондирующих сигналов, равную с/2DR, где с - скорость света. От длительности зондирующего импульса разрешение не зависит, но при обоих видах модуляции от неё зависит уровень мешающих боковых лепестков и ширина области их существования.
В случае внутриимпульсной линейной ЧМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту (см. Преобразование частоты)поступает на частотно-дисперсионную линию задержки на выходе которой появляется сжатый импульс длительности 1/Dfс. При внутриимпульсной ФКМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту поступает на линию задержки с отводами (рис. 4, б), отображающими кодовую последовательность ФКМ зондирующего импульса и снабжённую такими фазосдвигающими элементами в отводах, к-рые обеспечивают синфазное суммирование всех парциальных сигналов при достижении импульсом конца линии задержки; при этом на сумматоре появляется сжатый импульс длительностью 1/Dfс.
Применение линий задержки, сумматоров, частотных фильтров, временных селекторов в виде аналоговых устройств сопряжено с рядом неудобств, обусловленных их нестабильностью, необходимостью регулировки, сложностью и высокой стоимостью. Поэтому в совр. РЛС широко применяется цифровая обработка принимаемых сигналов.
Для цифровой обработки принятый сигнал после преобразования частоты и усиления подаётся на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе к-рого получаются выборки сигнала в виде двоичного цифрового кода, несущие в себе информацию как об амплитуде, так и о фазе принятого сигнала. Далее все операции производятся с помощью цифровых фильтров, интеграторов и устройств для селекции движущихся целей. Широкое применение в цифровых процессорах сигнала находит быстрое Фурье преобразование, резко снижающее требования к объёму вычислений и позволяющее осуществить многоканальную фильтрацию в частотной области. Важнейшее значение имеют характеристики АЦП: его разрядность определяет динамический . диапазон приёмника РЛС, его быстродействие - достижимое разрешение по дальности. Совр. АЦП обеспечивают быстродействие 20 МГц при 12 разрядах.
В наземных и корабельных РЛС используются гл. обр. дециметровые и сантиметровые волны. В самолётных РЛС, где габариты антенн строго ограничены, применяются только короткие сантиметровые волны. Имеются также РЛС на волнах 8 мм и даже 3 мм. Ограничение длины волны снизу определяется резко возрастающими с уменьшением l потерями в атмосфере.
Кроме активных радиолокаторов, работающих по отражённому сигналу, существуют пассивные радиолокаторы, использующие естеств. излучение объектов (радиометры). Такие устройства могут непосредственно измерять только угл. координаты.
Заключение
С развитием общества, человеческие потребности растут все больше. Следовательно, перед радиолокацией появляются новые задачи и новые направления, а значит и усовершенствование методов, оборудования системы радиолокации. Нескоро для ученых и изобретателей к данной области будет потерян интерес, который подогревается и научным прогрессом, с одной стороны, и коммерческой заинтересованностью, с другой.
Создание совершенной РЛС - сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики. По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации. Таким образом, несмотря на то, что на сегодняшний день радиолокация нашла свое широкое применения в военном деле, создание самых современных РЛС требует самого высокого уровня развития науки, технологии и организации, поэтому разработка и сооружение каждой такой РЛС является значительным научно-техническим достижением не только отечественного, но и мирового масштаба.
Список литературы
Современная радиолокация, пер. с англ., М., 1969
Справочник по радиолокации, под ред. М. Сколника, пер, с англ., т. 1-4, М., 1976-79;
Кук Ч., Бернфельд М., Радиолокационные сигналы, пер. с англ., М., 1971;
Теоретические основы радиолокации, под ред. Я. Д. Ширмана, М., 1970;
Леонов А. И., Фомичев К. И., Моноимпульсная радиолокация, 2 изд., М., 1984.
Современная радиолокация. Анализ, расчет и проектирование. Под редакцией Кобзарева Ю.В., М., Сов.радио, 1969г.-704стр.
Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1978г. – 608стр.Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1970г. – 560стр.