Радиолокация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиолокация - обнаружение и определение местоположения разл. объектов с помощью радиотехн. 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 эл--магн. волнами радиолокац. передатчика. Приём вторичных радиоволн направленной антенной позволяет определять угл. положение объектов относительно радиолокатора, а измерение времени запаздывания отражённых сигналов по отношению к сигналам передатчика - удаление объектов от радиолокатора. Ур-ние Р. для мощности Р_Т принятого сигнала

где P_t - излучаемая мощность, G_t - усиление антенны на передачу, s - эфф. площадь рассеяния (ЭПР) объекта, А_r - 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. Укрупнённая блок-схема РЛС изображена на рис. 1. 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 (см. также Радиоприёмные устройства), 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 к-ром величина принимаемого сигнала достигает максимума; в РЛС с электронно управляемым лучом вместо угл. положения антенны измеряют угл. положение луча относительно нормали к раскрыву антенны.

Макс. дальность R_макс обнаружения может быть выражена через энергию зондирующего сигнала E_t, для к-рого приёмник представляет собой согласованный фильтр:

где Е_ш - энергия шума в приёмной системе, _;r - отношение сигнала к шуму, обеспечивающее обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог, h < 1 - коэфф. потерь полезной энергии. Вероятность обнаружения D и вероятность ложных тревог F_{л. 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 к-ром достигается наибольшее возможное при данной энергетике превышение сигнала над шумом на выходе "согласованного фильтра" (фильтра электрического, импульсная характеристика к-рого является "зеркальным отражением" на оси времени). Когерентный приём позволяет приблизить энергетику РЛС к теоретич. 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 u_p - радиальная скорость объекта, l - длина волны (см. Доплера эффект ).При длительности пачки t_к когерентно накопляемых импульсов полоса частот пачки и полоса доплеровского фильтра равны Df_к = 1/t_к. При f_д > Df_к 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 угл. направления, на протяжении к-рого обзор пространства прерывается). На каждом азимуте луч шириной q задерживается на время t_eзондирования 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 кор-релиров. 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 Df_с - ширина спектра зондирующего сигнала. Среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки измерения дальности при сопровождении

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 фазо-кодовая модуляция (ФКМ), обеспечивающая ширину спектра Df_с 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 (рис. 4, а), на выходе к-рой появляется сжатый импульс длительности 1/Df_с. 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/Df_с.

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 ди-намич. 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.

Литература по радиолокации

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.