Радиолокация

Радиолокация (далее Р) (от радио... и лат. locatio - размещение, расположение), область науки и техники, предметом которой является наблюдение радиотехническими методами (радиолокационное наблюдение) различных объектов (целей) - их обнаружение, распознавание, измерение их координат (определение местоположения) и производных координат и определение др. характеристик. Под Р понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов. При наличии нескольких объектов Р должна обеспечивать требуемое их разрешение (раздельное наблюдение). Задачи Р решаются при помощи отдельных радиолокационных станций (РЛС) и сложных радиолокационных систем. С Р тесно связана радионавигация; часто их методы и аппаратура практически не различаются. Р - одно из важнейших направлений современной радиоэлектроники.

Для радиолокационного наблюдения используют: эхо-сигналы, образующиеся в результате отражения радиоволн от объекта, облученного РЛС (т. н. Р с зондирующим излучением); сигналы РЛС, переизлучаемые ретранслирующим устройством, находящимся на объекте, местоположение которого определяется (Р с активным ответом); собственное радиоизлучение объекта - излучение радиоустройств, находящихся на объекте, или тепловое излучение самого объекта, определяющееся его температурой (пассивная радиолокация).

В Р измеряют расстояние до объекта (дальнометрия, или дистанциометрия), направление прихода сигналов (пеленгация), радиальную и угловую скорости движения объекта и т.д. Радиолокационное наблюдение объектов позволяет также выявлять их многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта и т.п. Данные измерений могут быть дискретными (вырабатываемыми через определенные интервалы времени) или непрерывными. Объекты могут быть одиночными или множественными либо представлять собой сплошные образования. Возможно сложное (комбинированное) наблюдение, например радиолокационный обзор пространства в некотором секторе, позволяющий производить поиск и обнаружение новых объектов в этом секторе и одновременно непрерывно получать текущие координаты уже обнаруженных объектов.

В основе наиболее распространенного вида Р - Р с зондирующим излучением - лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приемную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приемной антенны РЛС П₂ через плотность потока мощности излучения у объекта ₁ по формуле

П₁s = П₂×4pR²,

где R - расстояние от объекта до РЛС. По характеру отражения или излучения радиоволн радиолокационные объекты принято разделять прежде всего на сосредоточенные (под которыми понимают одиночные объекты с размерами, малыми по сравнению с размерами объема, разрешаемого РЛС) и распределенные. Распределенные объекты, в свою очередь, могут быть поверхностными (например, земная поверхность с пашней, кустарником, снегом и т.д., поверхность моря или Луны и т.д.) и объемными (например, всевозможные неоднородности в атмосфере - облака, дождь, снег, искусственные дипольные помехи и т.д.). Гладкие поверхности, у которых размеры неровностей составляют незначительную долю от длины облучающей волны (например, спокойная водная поверхность, бетонное полотно и т.д.), отражают зеркально, т. е. при отражении наблюдаются определенные фазовые соотношения между облучающей волной и отраженной. При неровностях, соизмеримых с длиной облучающей волны или больших ее, имеет место диффузное отражение волн, т. е. сложение волн со случайными фазами, отраженных от разных элементов поверхности. В общем случае реальные поверхности создают отраженные волны, содержащие как зеркальную, так и диффузную компоненту. Сопоставляя размеры одиночного объекта не только с объемом, разрешаемым РЛС, но и с длиной волны, излучаемой ею, различают 3 случая: размеры объекта во много раз больше длины волны (т. н. оптическое рассеяние - поверхностное и краевое), размеры объекта и длина волны близки друг к другу (резонансное рассеяние), длина волны намного превосходит размеры объекта (рэлеевское рассеяние) (см. также Отражение света, Рассеяние света). Эти случаи различаются не только по интенсивности отражения, но и по характеру зависимости отраженного сигнала от длины волны и поляризации зондирующего сигнала. Особый практический интерес представляет случай большой величины отношения размеров объекта к длине волны, поскольку в Р наибольшее применение имеют волны сантиметрового (СМ) диапазона, в котором у большинства объектов (самолеты, корабли, ракеты, космические аппараты) размеры поверхностей и краев во много раз превосходят длину волны. Для такого (оптического) рассеяния характерны независимость ЭПР от поляризации зондирующего сигнала и возможность разделить большой объект на отдельные, практически самостоятельные части. Как и в оптике, здесь большую роль играют "блестящие точки" (явление интенсивного отражения волн от выпуклых частей объекта), а также зеркально отражающие гладкие участки поверхности. Расчет поверхностного рассеяния волн основан на применении оптических методов (преимущественно на использовании принципа Гюйгенса - Кирхгофа, согласно которому отраженное поле находится суммированием полей отдельных участков "освещенной" поверхности). При резонансном рассеянии величина ЭПР резко зависит от длины волны и имеет максимум (это явление используют для создания эффективных помех работе РЛС посредством сбрасывания с самолетов металлизированных лент длиной, равной половине длины волны). В области рэлеевского рассеяния ЭПР объекта обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, прямо пропорциональна квадрату объема объекта и не зависит от его формы. Такая зависимость объясняет выгоды применения в Р сравнительно коротких волн (например, волн СМ диапазона) для обнаружения мелких объектов (например, снарядов, капель дождя и пр.).

Появление и развитие радиолокации. Явление отражения радиоволн наблюдал еще Г. Герц в 1886-89. Влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силу сигнала зарегистрировал А. С. Попов в 1897. Впервые идея обнаружения корабля по отраженным от него радиоволнам была четко сформулирована в авторской заявке немецкого инженера К. Хюльсмайера (1904), содержавшей также подробное описание устройства для ее реализации.

Интерференцию незатухающих радиоволн, приходящих к приемнику по двум путям - от передатчика и, после отражения, от движущегося судна, - впервые наблюдали американский инженер А. Тейлор и Л. Юнг в 1922, а интерференцию при отражении радиоволн от самолета - американский инженер Б. Тревор и П. Картер в 1932. В 1924 английский ученый Э. Эплтон провел измерения высоты слоя Кеннелли - Хевисайда (слой Е ионосферы) путем наблюдения чередующихся усилений и ослаблений сигнала, вызванных варьированием частоты колебаний в передатчике, приводящим (как и при движении отражающего объекта) к изменению разности фаз между колебаниями, пришедшими по двум путям. В 1925 английские ученые Г. Брейт и М. Тьюв опубликовали результаты своей работы по определению высоты слоя Кеннелли - Хевисайда измерением времени запаздывания импульсного сигнала, отраженного от слоя, относительно сигнала, пришедшего вдоль поверхности Земли.

В СССР работы по Р были развернуты с 1933 по инициативе М. М. Лобанова, под руководством Ю. К. Коровина и П. К. Ощепкова. Первые практически использовавшиеся РЛС, действие которых было основано на появлении биений при пересечении самолетом линии передатчик - приемник, разработаны под руководством Д. С. Стогова в 1938. Импульсный метод Р разработан в 1937 в Ленинградском физико-техническом институте под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Последующее развитие Р, ее внедрение в различные виды вооружения и народное хозяйство связаны с освоением диапазона СВЧ, совершенствованием методов Р, внедрением вычислительной техники и использованием достижений смежных наук. Особое значение имела разработка радиолокационных измерительных устройств для зенитной и корабельной артиллерии. Появление и применение (почти одновременно с Р) противорадиолокационных средств - пассивных и активных помех, защитных покрытий и пр. (см. Радиоэлектронное противодействие), вызвали необходимость разработки специальных противопомеховых методов и устройств. Радиолокационными методами решаются разнообразные задачи народного хозяйства, связанные с навигацией (см. Навигация, Навигация воздушная), метеорологией (см. Р в метеорологии), аэрофотосъемкой (см. Аэрометоды), разведкой полезных ископаемых и др.

Появление (в 50-60-х гг.) ракетной и космической техники усложнило и расширило задачи Р Создание ракет и космических летательных аппаратов (КЛА) потребовало точного измерения траектории и параметров их движения с целью управления ими, прогнозирования траектории точной посадки КЛА на Землю и др. планеты, точной географической привязки количественных результатов научных измерений, данных метеорологической обстановки, фотоснимков и т.п. к координатам КЛА, измерения взаимного положения КЛА. Одно из достижений Р - решение задачи поиска и сближения двух КЛА, включая их автоматическую стыковку. Для ряда космических применений Р характерна тесная связь радиолокационных систем с системами передачи информации (в области радиотелеметрии, космического телевидения и радиосвязи) и передачи команд, а также с вычислительными устройствами автоматического комплекса управления КЛА. Часто эти системы имеют общий канал связи (общие антенны, цепи передающих и приемных устройств), а в ряде случаев работают с общим сигналом.

Важная область применения Р - планетная радиолокация, позволившая путем приема радиосигналов, отраженных от планет, с большой точностью измерить расстояние до них и тем самым снизить погрешность в определении основной астрономической единицы, уточнить параметры орбит планет, определить (по расширению спектра отраженного радиосигнала) период вращения планет (в частности, Венеры) и осуществить радиолокационное наблюдение рельефа поверхности планет. В СССР Р Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера выполнил в 1961-63 коллектив ученых во главе с В. А. Котельниковым. См. также Радиолокационная астрономия.

При создании систем противоракетной обороны (ПРО) Р должна решать сложные задачи, связанные с уничтожением ракет противника, в том числе с обнаружением и сопровождением ракет и наведением на них противоракет.

Основные принципы и методы радиолокации. Среди многочисленных принципов и методов Р следует выделить наиболее важные, связанные с дальностью действия РЛС, измерением дальности, пеленгацией, защитой от пассивных помех (метод селекции движущихся целей), разрешением (метод бокового обзора).

Дальность действия РЛС, использующих отраженные сигналы (в отсутствии пассивных помех), при расположении передатчика и приемника в одном месте определяется согласно основному уравнению Р:

"

где R - дальность действия; Р - средняя мощность зондирующих сигналов; Т - время, в течение которого должно быть произведено обнаружение объекта или определение его местоположения; _э - эффективная площадь приемной антенны; Q - телесный угол, внутри которого ведется наблюдение; Е_п - энергия отраженного сигнала, которая необходима для обнаружения объекта с заданной достоверностью или определения его местоположения с заданной точностью; L - коэффициент потерь, обусловленных отличием реальной системы от идеальной.

Модификации этого уравнения связаны со специфическими условиями применения РЛС. Так, в наземных РЛС обнаружения воздушных целей, ожидаемых на некоторой высоте, для рационального использования мощности, излучаемой антенной, выбирают антенны с такой диаграммой направленности, чтобы во всем рабочем секторе обеспечивалось постоянство принимаемых сигналов независимо от дальности. Уравнения дальности действия РЛС, использующих ретранслированные (радиолокационным маяком) сигналы, составляются раздельно для 2 одинаковых расстояний: РЛС - маяк и маяк - РЛС; для каждого из них в зависимость дальности от энергетического потенциала радиоканала (от мощности передатчика и чувствительности приемника) входит R² а не R⁴.

Дальность радиолокационного наблюдения в диапазоне СВЧ ограничивается кривизной земной поверхности и равна (в км)

,

где h₁ и h₂- высоты расположения объекта и РЛС над поверхностью Земли (в км). Дальность действия значительно возрастает в диапазоне декаметровых (коротких) волн - благодаря их распространению с последовательными отражениями от ионосферы (в среднем на высоте 300 км) и от поверхности Земли (см. Распространение радиоволн).

Открытие сов. ученым Н. И. Кабановым в 1947 явления дальнего рассеянного отражения от Земли декаметровых волн с их возвратом после отражения от ионосферы к источнику излучения привело к появлению принципиальной возможности создания т. н. ионосферной, или загоризонтной, Р Загоризонтная Р может осуществляться в основном по двум схемам: "на просвет" - с большим разнесением передатчика и приемника и наблюдением объектов, находящихся между ними, и с возвратно-наклонным зондированием - с приемом сигналов, приходящих обратно к месту излучения (рис. 1).

Измерение дальности по отраженным сигналам обычно производится двумя способами. В основу первого (т. н. импульсного) способа положено излучение импульса и измерение времени запаздывания отраженного (или ретранслированного) объектом импульса относительно излученного. Измерение облегчается, если отраженный сигнал не налагается на зондирующий, т. е. объект находится на достаточном удалении от РЛС. В простейшем случае (рис. 2) для реализации этого способа применяются импульсный передатчик, приемник (обычно супергетеродинного типа), задающий генератор-синхронизатор для запуска передатчика и задания шкалы времени, индикатор осциллографического типа, по шкале которого можно отсчитывать дальность. Модификациями этой схемы являются многошкальные схемы, построенные по принципу нониуса, и следящие схемы - автодальномеры.

В основу второго способа положено наблюдение интерференции двух непрерывных волн, связанных с зондирующим излучением и отражением от объекта (или ретрансляцией). При реализации этого способа с зондирующими колебаниями, частота которых модулирована по линейному закону, в смеситель приемного устройства (рис. 3, а, б) поступают колебания передатчика и сигнала, в результате чего имеют место биения между ними с частотой, пропорциональной измеряемой дальности. После детектирования, усиления и ограничения сигналы поступают на частотомер - счетчик частоты биений, шкала которого может быть проградуирована непосредственно в единицах дальности.

Радиальная скорость объекта, как правило, определяется с высокой точностью измерением частоты Доплера (см. Доплера эффект). При этом получение высокой разрешающей способности по скорости и высокой точности ее измерения связано с применением сигналов большой длительности. Однако получение высокой разрешающей способности по дальности и высокой точности ее измерения связано с применением широкополосных сигналов. Поэтому в Р целесообразно применять сложные широкополосные сигналы с большой базой (с большим произведением ширины полосы спектра сигнала на его длительность). В случае простых сигналов (например, одиночных монохроматичных импульсов) расширение спектра сигнала с целью получения лучшего разрешения по дальности сопровождалось бы ухудшением разрешения по скорости.

Пеленгация объектов может осуществляться при наблюдении из одного пункта и при разнесенном приеме. В устройствах, расположенных в одном пункте, широкое применение получил метод пеленгации путем сравнения амплитуд сигналов - амплитудный метод, позволяющий получить высокую точность в сочетании с автоматическим слежением за целью по направлению и высоким отношением сигнал/шум. В простейшем случае достаточно сравнить амплитуды сигналов от объекта в двух положениях диаграммы направленности антенны (рис. 4), чтобы по знаку и величине разности этих сигналов (т. н. сигналу ошибки) судить о величине и знаке отклонения направления на объект от равносигнального (в котором сигнал ошибки равен нулю). После усиления сигнал ошибки подается в следящую систему, которая поворачивает антенну вслед за перемещением объекта ("следит" за равносигнальным направлением).

Существуют 2 варианта этого метода. В первом (более простом) необходим только один приемный канал связи с одной антенной. Путем механической или электронной коммутации соответствующих цепей получают два положения диаграммы направленности антенны и вырабатывают сигнал ошибки, который управляет следящей системой. Образование сравниваемых сигналов реализуется последовательно (во времени). Во втором, называемым моноимпульсным методом (см. Моноимпульсная радиолокация), существуют 2 отдельных приемных канала связи с 2 антеннами и образование 1-го и 2-го сигналов происходит одновременно. Моноимпульсный метод свободен от ошибок, вызываемых флуктуациями сигналов (неизбежными в первом варианте).

В РЛС СМ диапазона волн первый вариант пеленгации реализуется при коническом сканировании, т. е. при вращении радиолуча, отклоненного относительно оси зеркала антенны (равносигнального направления). Синхронно с вращением луча вырабатываются 2 ортогональных напряжения, используемых для коммутации (на выходе тракта сигнала) фазовых с целью выделения сигнала ошибки. Во втором варианте одновременно существуют 4 радиолуча и 2 сигнала ошибки (от каждой из ортогональных пар лучей).

Кроме метода сравнения, также применяется амплитудный метод анализа огибающей принимаемых сигналов, позволяющий получить примерно такую же точность пеленгации при одновременном обзоре узким лучом сектора, в котором может находиться несколько целей.

Методы разнесенного приема позволяют достигнуть высокой точности пеленгации путем измерения разности времени прихода сигналов. В зависимости от вида принимаемых сигналов такое измерение может производиться импульсным, корреляционным и фазовым способами.

Большое развитие в Р получил фазовый способ пеленгации, основанный на измерении разности фаз высокочастотных колебаний, принимаемых антеннами, разнесенными на определенное расстояние, называемое базой. Его достоинство - высокая точность, достигаемая главным образом необходимым увеличением базы. Метод свободен от погрешностей, вызываемых флуктуациями сигнала, общего (по амплитуде) для каналов фазовой системы. При преобразовании радиочастоты в промежуточную (более низкую) частоту в супергетеродинном радиоприемнике разность фаз сохраняется неизменной, и ее измерение с точностью ~ 1° не представляет технических трудностей. При реализации этого метода важно сохранять идентичность и стабильность фазовых характеристик отдельных приемных каналов, пропускающих колебания, разность фаз которых измеряется, а также поддерживать постоянство частоты принимаемых волн и базы (или осуществлять специальный контроль за их изменением).

Фазовый метод весьма удобен и для точного измерения угловой скорости излучающего объекта. Применяя увеличенную базу, можно во много раз повысить чувствительность системы к изменению угловых координат, получая измеримые разности фаз колебаний при ничтожных угловых перемещениях объекта. Сложность измерения этими системами угловых координат и их производных обусловлена многоканальностью их структуры, жесткими требованиями к фазовым характеристикам каналов, необходимостью использовать для автоматизации обработки данных ЦВМ с высокой производительностью.

Развитие фазовых методов измерения угловых координат и их производных в Р было использовано в радиоастрономии, где получили применение интерферометры со сверхдлинной базой (порядка нескольких тысяч км); с их помощью достигают углового разрешения порядка тысячной доли угловой секунды.

Большое значение в Р имеет метод селекции движущихся целей - обнаружения отраженных целями сигналов, маскируемых радиоволнами, отраженными от местных предметов - зданий, холмов, леса (при наблюдении низколетящих самолетов и снарядов или объектов, движущихся по земле), либо от волнующегося моря (при наблюдении перископов подводных лодок), либо от "облака" пассивных дипольных помех (при наблюдении воздушных объектов) и т.д. При этом методе, называемом также когерентно-импульсным, фаза излученных радиоволн запоминается с тем, чтобы при приеме сигнала, отраженного от объекта, по мере движения объекта можно было фиксировать изменение разности фаз между принятым и посланным сигналами; для неподвижного или малоподвижного фона помех изменения разности фаз в соседних периодах повторений импульсов близки к нулю, и при помощи устройств компенсации можно эти сигналы подавить, пропустив на выход РЛС только сигналы от движущихся объектов. Известны 2 способа реализации такого метода: с передатчиком (например, на клистроне, рис. 5), фаза колебаний в котором может управляться, и с передатчиком (например, на магнетроне, рис. 6), фаза колебаний которого от посылки к посылке импульсного сигнала случайна. В последнем случае фаза СВЧ колебаний магнетрона запоминается путем принудительного фазирования когерентного гетеродина приемника при каждой посылке зондирующего сигнала.

Методы оптимальной обработки сигналов (в т. н. когерентных РЛС) позволили получать высокую угловую разрешающую способность у РЛС, движущихся относительно объектов (в т. ч. даже если размеры антенны сравнительно невелики, т. е. при широком радиолуче). Так, для картографирования местности был разработан метод бокового обзора с синтезированным раскрывом антенны. В РЛС, использующих этот метод, антенна, вытянутая вдоль пути летательного аппарата (ЛА), принимает от каждой элементарной площадки местности сигналы, различающиеся временем запаздывания (в связи с перемещением ЛА) и частотой Доплера. Т. к. при оптимальной обработке сигналы запоминаются и суммируются с соответствующими фазовыми сдвигами, то можно получить эффект синфазного сложения сигналов, подобно тому как это происходило бы при неподвижной синфазной антенне с эквивалентным размером D вдоль линии пути, определяемым перемещением Л А за время когерентного накопления сигнала Т:

D = uT,

где u - скорость перемещения ЛА. Вследствие эффекта Доплера изменение частоты колебаний Df для элементов поверхности, разнесенных на ширину радиолуча q = lld (где l - длина волны, d - диаметр или сторона раскрыва антенны), равно

Следовательно, после оптимальной обработки сигнала длительность сжатого импульса t будет равна

"

что соответствует предельно достижимой продольной разрешающей способности вдоль линии пути, равной d = tu (или ¹/₂d, если та же бортовая антенна используется не только для приема, но и для облучения и обеспечивает т. о. удвоение фазовых сдвигов отраженных колебаний).

Лит.: Теоретические основы радиолокации, под ред. В. Е. Дулевича, М., 1964; Современная радиолокация, пер. с англ., М., 1969; Теоретические основы радиолокации, под ред. Я. Д. Ширмана, М., 1970; Вопросы статистической теории радиолокации, под ред. Г. П. Тартаковского, т. 1-2, М., 1973-74.

А. Ф. Богомолов.

		Новости 22.12.2024 17:21:10

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.