Что такое электроника? Принципы работы
радиоустройств, радиокомпоненты, принципиальные схемы, электрические
колебания и связь, цифровое ТВ, интегральные схемы и многое другое...
Дата обновления
07.06.2016
Посвящение в радиоэлектронику, массовая радио-библиотека
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
Статистика
Что такое радиолокация?
Когда вы стоите на краю обрыва, а перед вами, за рекой, стеной
поднимается крутой берег, заросший густым лесом, трудно удержаться,
чтобы не крикнуть или громко не хлопнуть в ладоши. В ответ раздается
эхо. То что вы делаете, называется звуколокацией. Звук, отраженный
от противоположного берега, запаздывает во времени и) искажается,
часть его накладывается на посылаемый звук, и начало фразы принять
(услышать) уже нельзя, а конец фразы звучит вполне отчетливо. Налицо
многие проблемы, встречающиеся в радиолокации.
О принципах радиолокации вы, читатель, уже наверняка немало
наслышаны. Мощный луч радиолокационного передатчика фокусируется
большой антенной в направлении исследуемого объекта-цели, как
говорят специалисты по радиолокации. Разумеется, это название пошло
от военных, для которых, собственно, и создавались первые
радиолокаторы. Теперь уже у радиолокатора (радара) появилась масса
мирных профессий, о которых мы еще поговорим. Итак, "цель" облучена
зондирующим сигналом (привыкайте к радиолокационной терминологии!).
Целью может быть самолет, корабль, ракета, поверхность Земли или
другой планеты. Радиоволны рассеиваются целью, а часть их приходит
назад к радару, где и регистрируется приемником. Итак, первая задача
радиолокации-обнаружение цели решена. Вторая задача сложнее надо
определить координаты цели. На уроках физики и математики вас учили,
что прежде, чем измерять координаты, надо задать систему координат.
Разные радары работают в различных системах координат.
Звуколокация
Например, наземная радиолокационная станция (PJIC) наблюдения за
воздушной обстановкой измеряет три координаты цели: азимут, угол
места и наклонную дальность.
Без такой PJIC сейчас немыслим никакой аэродром. Работает эта
станция в сферической системе координат. Угловые координаты
определяют по положению антенны. Азимут отсчитывается от направления
на север, угол местаот направления на
горизонт.
Система координат обзорной РЛС: а-азимут; b-угол места; R-наклонная
дальность
Сразу становится ясно, что чем "тоньше" луч радара, т. е. чем уже
диаграмма направленности его антенны, тем точнее можно определить
координаты цели.
Для слежения за целью антенну надо поворачивать. 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.
Поток энергии через единичную площадку
обратно пропорционален квадрату расстояния
Третья координатадальностьопределяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно
излучаемого. Так и хочется сказать, что запаздывание сигнала очень
мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью света,
равной 300000 км/с, или 3-Ю8 м/с. Действительно, для самолета,
находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание составит всего
20 мке (20 10~6с). Такой результат получился из-за того, что
радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так
что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Но вот при
радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов,
задержка сигнала составила около 11 мин, а это время уж никак не
назовешь малым!
И еще один аспект этой интереснейшей техники. Если посланный сигнал
будет "путешествовать" в просторах космоса целых 11 мин, насколько
же он ослабнет! И как выделить его в приемнике из собственных шумов
приемника и шумов космического происхождения? Ослабление сигнала при
радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых
физических соображениях. Их мы уже рассматривали в гл. 4. Если в
какой-то точке излучается мощность Р, то поток мощности через
единичную площадку, находящуюся на расстоянии R. В знаменателе стоит
площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при
обычной радиосвязи мощность, принятая нами, обратно пропорциональна
квадрату расстояния. Этот закон-закон
сферической расходимости пучка энергии - выполняется всегда при
распространении волн в свободном пространстве. Даже если мы
сконцентрируем излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии
возрастет в несколько раз (этот коэффициент называется коэффициентом
направленного действия антенны, сокращенно КНД), квадратичная
зависимость от расстояния сохранится. В радиолокации дело обстоит
значительно хуже. Облучаемая на расстоянии R цель сама рассеивает
энергию по всем направлениям. И если облучающий цель поток энергии
ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику
рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается
обратно пропорциональным Л4. Это означает, что для повышения
дальности действия PJIC в 2 раза при прочих равных условиях мощность
ее передатчика надо повысить в 16 раз. Вот какой дорогой ценой
достигаются высокие характеристики современных РЛС!
Приведу несколько конкретных примеров. Возьмем небольшую аэродромную
РЛС с антенной площадью 10 м2. И пусть она наблюдает небольшой
самолет с эффективной поверхностью рассеяния 1 5 м2 на длине волны
10 см. Работоспособность такой РЛС сейчас ни у кого не вызывает
сомнений. Однако расчет показывает, что отраженный сигнал,
приходящий в приемник при удалении самолета на 80 км. в этом случае
на 16 порядков слабее излучаемого! Как говорят инженеры, потери
сигнала при локации составляют 10"16. или 160 дБ. Но их это не
пугает. При излучаемой мощности 10 кВт чувствительность приемника
должна составить 10"12 Вт Такие приемники научились делать еще в
годы второй мировой войны!
Другой пример. Заставим нашу РЛС осуществлять локацию Марса. Дело
это, разумеется, совершенно безнадежное, если не принять специальных
мер. Увеличим площадь антенны до 1000 м2. И даже в этом случае
потери сигнала на трассе составят 250 дБ, или 10". Понадобятся
сверхмощный передатчик и особые методы приема сигналов, уровень
которых лежит гораздо ниже уровня собственных шумов приемника. К
одному из таких методов относится когерентное накопление сигнала.
Сеансы локации проводятся много раз, и отраженные сигналы
суммируются. Амплитуда суммарного сигнала после суммирования
n посылок возрастает в
n раз, тогда как амплитуда статистически независимых шумов
-только в ч/и раз.
При достаточно длительном времени накопления удается выделить
чрезвычайно слабые отраженные сигналы. В первых опытах по локации
Марса время накопления составляло 8,5 ч.
Существует великое множество радиолокаторов. Это и только что
упомянутый "планетный", представляющий собой уникальный комплекс
сооружений со сверхмощными передатчиками и ЭВМ для обработки
сигналов, увенчанный полноповоротной антенной чашей диаметром 75 м
(только представьте себе грандиозность этого сооружения!). Это и
миниатюрный, почти карманный радар работника автомобильной
инспекции, позволяющий в считанные секунды определить скорость
движущегося по шоссе автомобиля. Радарами оснащены теперь все
морские и речные суда, все самолеты. Жизнь и Деятельность в самых
отдаленных уголках страны даже трудно представить себе без радаров.
Когда во время экспедиции гидрографическое судно шестой день не
выходило из тумана в районе Курильских островов и Камчатки, я никак
не мог понять, как же эти места осваивали и исследовали
первопроходцы? Каждую ночь, каждый туманный день они должны были
быть настороже - не послышится ли по носу судна плеск воды,
накатывающейся на рифы. А в случае крушения помощи ждать неоткуда -
места не заселены, а карт и лоций нет
именно первопроходцы их и составляли.
Теперь все не так. По ворсистой ковровой дорожке, идеально чистой на
гидрографическом судне, ты идешь к навигаторам, и они покажут карту,
где со скрупулезной точностью нанесены мели, берега и глубины.
Покажут и экран РЛС кругового обзора, где электронный луч непрерывно
рисует ту же карту, получаемую радаром в этот самый момент. Видим на
ней и берега, и рифы, и проходящие мимо корабли. А окна рубки
"занавешены" туманом, и не видно даже передней мачты. Этому
чудо-прибору, радару, не более 50 лет.
