Выполнил:
студент группы 09-ОЗИ1
Лужецкий А.А.
Преподаватель:
Дракин А.Ю.

Современные технологии радиолокации

Введение

«Где-то в пятидесятые годы большинство жителей нашей страны впервые услышали слово "радиолокация". Оно произносилось, как правило, тихим голосом, с большим почтением и уважением к этому слову и несло в себе элемент того, что произносивший это слово причастен к каким-то высшим либо военным, либо научным секретам. Массовые популярные публикации того времени в газетах и журналах, детективные повести и фильмы убеждали читателей и зрителей в существовании очень сложного, способного сотворить чудо средства, которое позволит защитить наше небо от непрошенных гостей, дать возможность самолетам летать в любую погоду, при любой видимости и видеть все, что творится в небесах, на земле и на море. Но шло время и, как это всегда бывает, массовый интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину с четко очерченными границами возможностей и приложений.» (4)

Основные понятия

«Радиолокацией называется обнаружений объектов (целей) и обнаружение их пространственных координат и параметров движения с помощью радиотехнических средств и методов. Этот процесс называется радиолокационным наблюдением, а устройства такого назначения – радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами.» (2)
Методы радиолокации
«Зондирующие излучение не является сигналом, так как электромагнитные волны становятся носителем информации о цели , т.е. радиолокационным сигналом, лишь после соприкосновения с целью При этом цель играет активную или пассивную роль. Отсюда происходит следующая классификация методов радиолокации по способу образования радиолокационных сигналов.» (2)
«Активная радиолокация. Радиоволны, излучаемые антенной передающего устройства РЛС, направляются на цель; приемное устройство той же РЛС принимает отражающие волны и преобразует их так, что выходное устройство с помощью опорных сигналов извлекает содержащуюся в отраженном сигнале информацию : наличие цели, её дальность, направление, скорость и др. Этот метод радиолокации называется активным потому, что предусматривает облучение цели антенной РЛС.» (2)

«Активная радиолокация с активным ответом. Предполагает наличие на объекте ответчика (ретранслятора), который состоит из приемного устройства, предназначенного для приема и усиления прямого сигнала, поступающего из РЛС-запросчика, и передающего устройства – для создания ответного сигнала (переизлучения).» (2)

«Пассивная радиолокация означает, что сама цель является источником элктромагнитного излучения, а РЛС выполняет функции приемного устройства, предназначенного для определения направления на этот источник. Собственное излучение создается нагретыми частями объекта ионизированной атмосферой, окружающей объект, и, наконец радиопередающим устройством, которое может оказаться на данном объекте.» (2)

«Разнесенная система – разновидность радиолокации по пассивным целям.Её характерная черта: передающее и приемное устройства разнесены на значительное расстояние.» (2)

Загоризонтная радиолокация

«В последние годы наряду с развитием ультрокоротковолновой радиолокации ведутся исследовательские работы по созданию так называемых загоризонтных радиолокационных станций.» (1)
«Загоризонтная РЛС может обнаружить боевую баллистическую ракету или ракету-носитель , начиная с момента их запуска, т.е. при отделении ракеты от наземного стартового устройства или при выходе её из пусковой шахты, распологаемой в глубине территории нападающего противника.» (1)

«Антенна загоризонтной РЛС направляет луч коротких радиоволн на определенную область отражающего слоя ионосферы. Угол наклона луча, длинна рабочей волны станции выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить распространение отраженных ионосферой радиоволн к цели, находящейся за радиогоризонтом : цель рассеивает энергию радиоволн, которая частично возвращается к антенне станции, также проходя через ионосферу. Из-за решающей цели последней в обнаружении загоризонтной цели коротковолновая РЛС называется часто станцией ионосферной радиолокации (ИРЛ).» (1)
«Возможная область обнаружения целей загоризонтной РЛС ограничена поверхностью земного шара и расположенным над ним сферическим слоем ионосферы. Излучаемые антенной радиоволны следуют к цели по траектории, которая «загибается» ионосферой к земной поверхности. Здесь происходит рассеяние коротких радиоволн на топографических и электрических неоднородностях земной поверхности. Честь рассеянных волн, направляясь к новому и более удаленному от РЛС участку ионосферы, снова «загибается» ионосферой к земной поверхности и рассеивается на её неоднородностях.» (1)
«Таким образом, выпуклость Земли не является препятствием для коротковолнового радиолокационного сигнала. Распространение коротких волн может быть представлено в виде серии отражений, происходящих последовательно от ионизированной области – ионосферы, расположенной в среднем на высоте около 300км над Землей, и от участков земной поверхности. Максимальная длина одного «скачка», т.е. расстояния между двумя соседними точками отражений радиоволн от земной поверхности около 3000км. Эти данные и определяют размеры области околоземного пространства, в котором возможно обнаружение целей загоризонтной коротковолновой РЛС.» (1)

Применения радиолокации.

Военные применения
«Одним из первых важных применений радиолокации были поиск и дальнее обнаружение. Перед Второй мировой войной Великобритания построила не очень совершенную, но довольно эффективную сеть радиолокационных станций дальнего обнаружения для защиты от внезапных воздушных налетов со стороны Ла-Манша. Более совершенные радиолокационные сети защищают Россию и Северную Америку от внезапного нападения авиации или ракет. Корабли и самолеты также оснащаются радиолокаторами. Таким образом, возможно наведение истребителей на вражеские бомбардировщики с наземных радиолокаторов слежения или с корабельных радиолокаторов перехвата; можно также использовать бортовые самолетные радиолокаторы для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника. Бортовые радиолокаторы важны для поиска, осуществляемого над сушей или морем, и оказания помощи в навигации или при слепом бомбометании.» (3)
«Ракеты с радиолокационным наведением оснащаются для выполнения боевых задач специальными автономными устройствами. Для распознавания местности на самонаводящейся ракете имеется бортовой радиолокатор, который сканирует земную поверхность и соответствующим образом корректирует траекторию полета. Радиолокатор, расположенный поблизости от противоракетной установки, может непрерывно отслеживать полет межконтинентальной ракеты. За последние годы в обычные методы и средства радиолокации было внесено много нового – появилась, в частности, система для одновременного слежения за многими целями, находящимися на разных высотах и азимутах; кроме того, разработан способ усиления сигналов радиолокатора без увеличения фонового шума.» (3)
Невоенные применения.
«Океанские суда используют радиолокационные системы для навигации. Служба береговой охраны США применяет радиолокационно-телевизионную навигационную систему «Ратан» для получения телевизионно-радиолокационного изображения на подходах к гавани Нью-Йорка. На промысловых траулерах радиолокатор находит применение для обнаружения косяков рыбы. На самолетах радиолокаторы используют для решения ряда задач, в том числе для определения высоты полета относительно земли. В аэропортах один радиолокатор служит для управления воздушным движением, а другой – радиолокатор управления заходом на посадку – помогает пилотам посадить самолет в условиях плохой видимости» (3)

«В широких масштабах радиолокация применяется для прогнозирования погоды. Национальная метеорологическая служба использует специально оборудованные самолеты, оснащенные радиолокаторами, для отслеживания всех метеопараметров; наземные РЛС помогают им в этой работе. Коммерческие авиалайнеры пользуются радиолокаторами, чтобы избежать погодных и атмосферных аномалий.» (3)
«В космических исследованиях радиолокаторы применяют для управления полетом ракет-носителей и слежения за спутниками и межпланетными космическими станциями. Радиолокатор намного расширил наши знания о Солнечной системе и ее планетах.» (3)
Аппаратура
«Радиоволны отражаются (или рассеиваются) всеми объектами, которые создают при этом эхо-сигналы, аналогичные звуковым эхо. Когда луч радиолокатора встречает на своем пути какой-либо объект – самолет, корабль, айсберг, стаю птиц или даже облако, – он отражается от объекта в широком диапазоне углов. Часть волновой энергии попадает на приемник радиолокатора, принося с собой информацию о положении объекта.» (3)

Импульсный радиолокатор.
«На рис. 8 представлена принципиальная схема импульсного радиолокатора. Сигналы, посылаемые таймером, возбуждают генератор импульсов и одновременно поступают на индикатор. Генератор импульсов запускает передатчик, и он посылает импульсы энергии в антенну, которая направляет луч на цель. Часть энергии, отраженной от цели, возвращается обратно в антенну, усиливается в приемнике и выводится на индикатор. После этого может быть определено расстояние (дальность) до цели. Угловое направление в горизонтальной плоскости на цель и высота цели определяются соответственно угловым направлением (азимутом) и углом возвышения луча антенны в точке, где эхо-сигнал имеет максимальную величину.» (3)

Доплеровский радиолокатор.
«Радиолокатор этого типа особенно подходит для получения информации о движущихся объектах. Радиолокационная система излучает непрерывный сигнал неизменной частоты. Если объект движется по направлению к радиолокатору, то отраженный сигнал имеет несколько более высокую частоту, а если объект удаляется от радиолокатора, то частота отраженного сигнала оказывается ниже частоты излученного сигнала. Это явление называется эффектом Доплера.» (3)

Радиолокационные экраны.
«Для измерений времени, прошедшего от момента посылки РЛС исходного импульса до момента получения отраженного, используется экран телевизионного типа. Радиолокационные экраны нескольких типов показаны на рис. 2. Поперек экрана типа A электронный луч прочерчивает горизонтальную линию развертки. Посылаемый радиолокатором и принятый отраженный сигналы вызывают отклонения электронного луча в вертикальном направлении. Расстояние между этими двумя пиками служит мерой времени, которое сигнал затратил на прохождение расстояния до цели и обратно. На линии развертки может быть нанесена шкала расстояний до цели в метрах или километрах. Разработан трехмерный радиолокационный индикатор, на экране которого отображались дальность до цели, ее азимут и угол возвышения. Этот экран, известный как экран типа G, позднее был приспособлен для использования в системах управления воздушным движением.» (3)

Как улучшить обнаружение радиолокационных целей.

«Даже в рамках неизменного элемента разрешения имеются дополнительные возможности для улучшения обнаружения находящихся там радиолокационных целей. К достаточно эффективным следует отнести поляризационные методы. Их суть сводится к следующему. При изменении вида поляризации излучаемой радиоволны происходит изменение мощности отраженной радиоволны. Всегда найдется такой вид поляризации зондирующей радиоволны, при которой отношение мощностей радиоволн, отраженных от исследуемой цели и фоновых объектов, находящихся в элементе разрешения, будет максимально. Теоретические расчеты и экспериментальные результаты показывают, что увеличение радиолокационного контраста для многих типичных ситуаций в среднем составляет 5 - 8 децибел, достигая в отдельных случаях 20 децибел и более. Существенный рост контраста дает возможность соотносить измеренные элементы матрицы рассеяния с исследуемой радиолокационной целью.» (4)
«В случае их движущихся целей, отраженный сигнал (эффект Доплера) имеет другую по отношению к исходному сигналу частоту, которая отличается от основной частоты на величину, пропорциональную отношению радиальной составляющей скорости цели к длине волны. Если в элементе разрешения движущейся является только исследуемая цель, то, осуществляя прием отраженных радиоволн на частотах, не совпадающих с частотой зондирующего сигнала, можно разделить сигналы, идущие от исследуемой цели и от окружающего его фона. (Это направление получило в радиолокации название селекции движущихся целей (СДЦ). Системами СДЦ снабжены очень многие современные радиолокационные станции (РЛС).» (4)
«Наконец есть еще один, хотя и достаточно экзотический, метод повышения радиолокационного контраста. Речь идет о радиолокационных целях, отраженный сигнал от которых содержит частоты, кратные по отношению к частоте зондирующего сигнала - 2f0 , 3f0 и т.д. Таким свойством, как правило, обладают объекты, имеющие ржавчину, трущиеся элементы, контакты и т.п. Если другие объекты такими экзотическими свойствами не обладают, то соответствующий радиолокационный контраст может быть увеличен на десятки децибел.» (4)
«Для уменьшения размеров элемента разрешения по дальности есть только один путь: уменьшить длительность зондирующего сигнала. Современные РЛС специального назначения могут формировать импульсы наносекундной длительности, что обеспечивает разрешение по дальности до десятков сантиметров. Если уменьшение длительности импульсов связано с техническими и конструктивными ограничениями, то проблема уменьшения горизонтального и вертикального размеров элементов разрешения, то есть углов Da и Db, наталкивается на физическое ограничение, связанное с тем, что углы Da и Db пропорциональны отношению l / d. Переход от сантиметрового к миллиметровому диапазону волн дал возможность сократить линейные размеры элемента разрешения в 3 - 5 раз при соответствующем сравнении с сантиметровым диапазоном. Дальнейшее уменьшение длины волны наталкивается на проблему резкого увеличения энергетических потерь радиоволны на трассе распространения вследствие роста поглощения и рассеяния в атмосферных метеообразованиях. Кроме того, возникающие при этом технические и конструкторские проблемы зажигают красный свет перед волнами короче 1 мм.» (4)
«Второй путь, связанный с уменьшением отношения l / d, связан с увеличением линейных размеров антенны. "Лобовая" атака на эти размеры приводит к появлению очень больших антенных систем и конструкций. Однако, поскольку вся "игра" идет на соотношениях между фазами тока в различных точках антенны, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах фазе в 90? соответствуют расстояния, измеряемые миллиметрами и их долями, проблема юстировки таких систем, их защита от температурного расширения, ветрового и дождевого воздействия, колебаний почвы и т.п. представляет собой самостоятельную проблему исключительной сложности. Сказанного достаточно, чтобы понять уникальность таких антенн и их сверхдорогую стоимость при разработке и эксплуатации. Тем не менее такие антенны существуют, но их число в мире исчисляется единицами. Антенны более скромных размеров размещаются на земле или на передвижных средствах. Однако вполне понятно, что получить у таких антенн отношение l / d слишком большим (свыше 150 - 200) не представляется реальным.» (4)
«Для антенн, устанавливаемых на борту летательных аппаратов, эти размеры ограничиваются линейными размерами носителей. Попытка уменьшить угол Da привела к созданию вдоль фюзеляжных антенн. Длительное время казалось, что этим исчерпываются все возможности для бортовых радиолокационных станций.» (4)
«Прорыв произошел в начале шестидесятых годов, когда впервые было обращено внимание на то, что обработка сигнала в антенне по существу сводится к сложению сигналов от различных ее участков с учетом соответствующего набега фазы, вызванного особенностями геометрии антенной конструкции. Это привело к мысли, что такую обработку можно сделать искусственно. С этой целью необходимо последовательно в разных точках пространства произвести измерение амплитуды и фазы напряженности электрического поля, запомнить эти значения, а затем специальным образом их сложить. Реализация этой идеи состоит в том, что упомянутые выше измерения производятся в процессе полета. Это дает возможность искусственно создать антенну, размеры которой определяются расстоянием между первым и последним замерами, то есть в принципе такая антенна может быть практически безграничной.» (4)

Заключение

«В последнее десятилетие темп разработок резко снизился. Но научные исследования не прекратились. Используя созданный прежде задел и современные алгоритмы обработки информации, удалось настолько повысить эффективность радиолокационного наблюдения, что еще недавно это могло бы показаться фантастикой. Все это позволит существенно улучшить характеристики радиолокаторов и решать новые задачи распознавания объектов. Например, можно будет обнаружить объекты, находящиеся в укрытиях и под землей. Радиолокаторы смогут различать объекты по видам материалов, из которых они созданы. Вырастет дальность радиолокационного обнаружения, точность оценки параметров движения целей, существенно возрастет помехозащищенность РЛС.» (5)

Используемая литература

1. Мищенко Ю.А. Загоризонтная радиолокация. – М: Воениздат, 1972. – 96с.
2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М., «Сов.радио», 1975. – 336с.
3. Онлайн энциклопедия «Кругосвет» Статья «Радиолокация» URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/voennaya_tehnika/RADIOLOKATSIYA.html?page=0,0
4. А.И. Козлов «Радиолокация. Физические основы и проблемы» URL: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/99.html
5. Журнал «Наука и Жизнь» И. Федоров статья «Радиолокация – синтез самых современных знаний» №9, 2005 год. URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/1710/