Свет как электромагнитная волна кратко физика. Презентация на тему "свет как электромагнитная волна". Свет - волны в эфире

1.Общие сведения о системах радиолокации

2. Классификация систем радиолокации

3. Сигналы и цели в радиолокации

4. Методы измерения координат целей

5. Радиолокационные станции следящего типа

6. Фазовый детектор

7. Смеситель

8.Особенности развития и примеры современных РЛС

Список литературы

1. Общие сведения о системах радиолокации

Назначение и область применения.

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами.

Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилась в 30-х годах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новых средств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

Выдающийся вклад в развитие радиолокации внесли советские ученые и инженеры П. К. Ощепков, М. М. Лобанов, Ю. К. Коровин, Б. К. Шембель. В Советском Союзе первые успешные эксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационных устройств были проведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружении войск ПВО поступили первые серийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом в развитии радиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю. Б. Кобзарева импульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна из наиболее прогрессирующих областей радиотехники.

Получение информации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами; а наблюдаемые объекты - радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения и т. п.

В радиолокации наиболее часто измеряются дальность между целью и РЛС, угловые координаты (азимут, угол места) и радиальная, относительно радиолокатора, составляющая скорости движения. (Азимут - это угол между направлением на цель и северным направлением, измеренный в горизонтальной плоскости. Угол места измеряется между вектором наклонной дальности и его проекцией на горизонтальную плоскость.) В задачу радиолокационного наблюдения в некоторых случаях входит также идентификация (распознавание) целей.

Понятие «система радиолокации» объединяет РЛС и другие связанные с ними технические средства, операторов, наблюдаемые цели и пространство, в котором ведется наблюдение.

Системы радиолокации практически всегда входит в состав более сложных суперсистем. Эти суперсистемы имеют важное военное и народнохозяйственное значение и находят разнообразное применение: для управления воздушным движением, в навигации самолетов, кораблей, в геофизических и астрофизических исследованиях и др.

Системы радиолокации составляют информационную часть таких суперсистем и функционируют совместно и во взаимной связи с другими подсистемами суперсистемы (радионавигации, радиоуправления, передачи информации).

Методы радиолокации.

Носителем информации в радиолокации является радиолокационныйсигнал - электромагнитная волна, излучаемая целью. Это излучение может иметь различную природу; вторичное излучение (отражение), или собственное излучение радиоволн. В зависимости от способа образования радиолокационного сигнала различают активный, активный с активным "ответом” и пассивный методы радиолокации.

В активной радиолокации передатчик РЛС излучает в направлении на цель мощный зондирующий сигнал. При облучении цели электромагнитной волной часть энергии волны поглощается, а остальная - отражается. Приемник радиолокатора улавливает слабый отраженный сигнал. Обнаружение отраженного сигнала свидетельствует о наличии цели. Анализ принятого сигнала и сравнение его с излученным позволяет получить информацию о пространственном положении и движении цели относительно РЛС.

В активной радиолокации с активным ответом радиолокационный сигнал создается путем переизлучения зондирующего сигнала специальным радиоответчиком, установленным на цели. Системы, использующие такой метод, применяются для наблюдения самолетов, космических аппаратов, имеющих ретранслятор сигналов на борту.

Системы активной радиолокации могут быть совмещенными и разделенными. В первом случае приемная и передающая части РЛС совмещаются в едином устройстве; во втором - приемное и передающее устройства размещаются в различных точках пространства, на удалении друг от друга.

В пассивной радиолокации в качестве сигналов используется самопроизвольное электромагнитное излучение целей: собственное тепловое радиоизлучение физических тел или излучение радиотехнических устройств, установленных на цели. Пассивная РЛС имеет только приемное устройство, с помощью которого производится обнаружение целей и измерение их угловых координат.

На современном этапе развития техники часто оказывается затруднительным построение пассивных РЛС с высокими техническими характеристиками, использующими тепловое радиоизлучение, вследствие малой его интенсивности. Поэтому такие РЛС нашли ограниченное применение. Большое значение имеют специальные пассивные РЛС, предназначенные для радиоразведки.

2. Классификация систем радиолокации

В основу классификации систем радиолокации могут быть положены различные признаки. Для систем радиолокации, осуществляющих выделение, обработку и накопление информации о радиолокационных целях, наиболее существенными являются информационные признаки, а именно: назначение и характер получаемой информации. Однако для практики такая классификация часто оказывается недостаточной. Поэтому дополнительно вводят классификацию по способу формирования и обработки сигналов, по месту (объекту) размещения аппаратуры, по диапазону используемых радиоволн.

Элементом системы радиолокации, определяющим ее назначение, основные свойства, возможности практического использования, являются РЛС. В зависимости от назначения и характера получаемой информации можно выделить три класса РЛС.

1. РЛС обзорного типа. Назначение этих радиолокаторов- поиск, обнаружение целей и относительно грубое измерение их координат. Такие РЛС обеспечивают получение информации о многих целях одновременно. Отличительный признак этих РЛС - работа в режиме периодического обзора некоторой зоны пространства. Обзорные РЛС используются для наблюдения воздушного пространства, земной или водной поверхности.

2. РЛС следящего типа. Назначение таких РЛС - точное измерение и непрерывная выдача информации о значениях координат целей. РЛС следящего типа осуществляют слежение за одной или несколькими целями. В частности, РЛС следящего типа применяются для управления оружием, слежения за самолетами в системах УВД.

3. Специализированные измерители и РЛС ближнего действия. К этому типу отнесем устройства, выполняющие некоторую частную задачу. Как правило, такие устройства измеряют один параметр положения или движения цели (объекта) и работают по заведомо одной цели. По назначению рассматриваемые устройства обладают большим разнообразием. В качестве примера укажем на РЛС, используемые как навигационные измерители - самолетный радиовысотомер, доплеровский измеритель вектора скорости самолета.

Существуют также комбинированные и многофункциональные РЛС. В комбинированной системе совмещаются обзорная и следящая РЛС. Наиболее совершенными являются многофункциональные РЛС. Такие РЛС могут одновременно совершать обзор пространства и слежение за целями.

Схемно-техническое построение и конструкция РЛС в существенной мере зависят от места (объекта) размещения, от способа формирования и обработки сигналов. По месту установки РЛС подразделяются на наземные (стационарные и передвижные) и бортовые: самолетные, космические, корабельные.

По способу формирования и обработки сигналов различают РЛС импульсные и с непрерывным излучением, когерентные и некогерентные, одноканальные и многоканальные.

Характеристики и параметры систем радиолокации принято подразделять на тактические и технические. Первые из них определяют возможности практического использования системы.

Перечислим основные тактические характеристики и параметры.

1. Зона действия (рабочая зона) - область пространства, в которой РЛС выполняет свои функции, определенные ее назначением.

2. Измеряемые координаты и точности их измерения. Измеряемые координаты определяются назначением РЛС. Существуют одно-, двух- и трехкоординатные РЛС. Измерение координат сопровождается погрешностями, которые ограничивают возможности тактического использования РЛС. Чрезмерное увеличение точности приводит к усложнению конструкции и к неоправданному повышению стоимости системы.

3. Разрешающая способность РЛС характеризует возможность раздельного наблюдения целей и измерения их параметров при малом отличии этих параметров. Различают разрешение по дальности, по направлению и по скорости. Цели, не разрешаемые ни по дальности, ни по направлению, ни по скорости, воспринимаются радиолокатором как одна цель. Во многих случаях тактического применения РЛС разрешающая способность является характеристикой первостепенной важности, определяющей саму возможность практического использования РЛС.

4. Помехозащищенность характеризуется способностью РЛС выполнять свои функции в условиях воздействия различного рода помех, естественных и организованных.

5. Пропускная способность определяется плотностью случайного потока целей, информация о которых обрабатывается радиолокатором и выдается с заданной точностью.

6. Время развертывания (приведения в рабочее состояние). Этот параметр характеризует возможность использования РЛС в условиях скоротечно изменяющейся обстановки.

Широкое применение радиоволн для обнаружения целей и измерения координат обусловлено следующими важными свойствами э/м колебаний:

Радиоволны распространяются со скоростью с распространения света как днем, так и ночью, в простых и сложных метеорологических условиях.

Скорость распространения радиоволн является постоянной величиной. Это свойство радиоволн лежит в основе всех методов измерения как расстояний, так и угловых координат, скоростей движения целей.

Радиоволны обладают свойством отражения от любых объектов, которые встречаются на пути их распространения.

Радиоволны распространяются прямолинейно в однородной среде, что и позволяет использовать их для определения угловых координат и расстояния до целей.

Свойство отражения радиоволн от объектов позволяет решать задачу обнаружения и измерения параметров целей. Радиоволны отражаются от границ раздела участков среды с неоднородными свойствами. Например, с различной электрической проводимостью, электрической или магнитной проницаемостью. По структуре отраженного сигнала можно судить о типе цели, ее размерах (ЭОП цели), определять параметры ее движения. При отражении от целей происходит как бы «естественная модуляция» радиоволн: на отражаемые э/м колебания в том или ином виде «накладывается» информация о цели. Т.о., отражение радиоволн от объектов позволяет получить принципиальную возможность обнаружения по наличию в приемном устройстве отраженных э/м колебаний и получить необходимую информацию о цели.

Передача информации с помощью лазера Оптические квантовые генераторы

Для источников света характерна некогерентность излучения, а именно, излучение источников в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами. Примерами некогерентного излучения могут служить: свечение газового разряда, тепловое свечение естественных и искусственных источников, люминесценция. В начале 60-х годов были созданы источники света иного типа, получившие название лазеров. В противоположность некогерентным источникам, э/м волны, зарождающиеся в разных частях лазера (удаленных друг от друга на макроскопические расстояния), оказываются когерентными между собой. В этом отношении лазеры аналогичны источникам когерентных радиоволн. Когерентность излучения проявляется практически во всех свойствах лазера. Энергия излучения зависит от подводимой энергии. Особенностью лазерного излучения является способность к концентрации энергии во времени, в пространстве, в направлении излучения, в спектре. Для нескольких лазеров характерна высокая монохроматичность излучения. В других лазерах используются очень короткий импульсы (10 -12 сек), поэтому мгновенная мощность такого излучения может быть очень большой. Световой поток, выходящий из лазера, обладает очень высокой направленностью. Такое излучение можно сфокусировать на ничтожно малой площади и создать большую мощность. Напряженность электрического поля лазерного излучения составляет порядка 10 4 В/см, напряженность электрического поля солнечного света на экваторе – 10 В/см.

Рассмотрим физические принципы, лежащие в основе работы лазера и свойства излучения последних.

Физической основой радиолокации является рассеяние радиоволн объектами, отличающимися своими электрическими характеристиками (электрической проницаемостью диэлектрической проницаемостью и электропроводностью а) от соответствующих характеристик окружающей среды при их облучении.

Интенсивность рассеяния или отражения радиоволн (интенсивность вторичного поля) зависит от степени отличия электрических характеристик объекта и среды, от формы объекта, от соотношения его размеров I и длины волны А. и от поляризации радиоволн. Результирующее вторичное электромагнитное поле состоит из поля отражения, распространяющегося в сторону облучающего первичного поля, и теневого поля, распространяющегося за объект (в ту же сторону, что и первичное поле).

С помощью приемной антенны и приемного устройства можно принять часть рассеянного сигнала, преобразовать и усилить его для последующего обнаружения. Таким образом, простейшая РЛС может состоять из передатчика, формирующего и генерирующего радиосигналы, передающей антенны, излучающей эти радиосигналы, приемной антенны, принимающей отраженные сигналы, радиоприемника, усиливающего и преобразующего сигналы и, наконец, выходного устройства, обнаруживающего отраженные сигналы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Принцип действия простейшей РЛС

Как правило, амплитуда (или мощность) принимаемого сигнала мала, а сам сигнал имеет случайный характер. Малая мощность сигнала объясняется большим расстоянием до объекта (цели) и поглощением энергии сигнала при его распространении. Кроме того, на интенсивность отраженного сигнала существенно влияют размеры целей. Случайный характер сигнала является следствием флуктуации отраженного сигнала за счет: случайного перемещения элементов цели сложной формы при отражении радиоволн; многолучевого распространения радиоволн; хаотических изменений амплитуды сигнала при распространении и ряда других факторов. В результате принимаемый сигнал по виду, интенсивности и характеру изменения похож в приемном тракте на шумы и помехи. Поэтому первой и основной задачей РЛС является обнаружение полезного радиосигнала, т.е. вынесение решения о присутствии полезного сигнала в поступающей на вход приемного тракта смеси полезного сигнала с помехами, называемой входной реализацией. Эта статистическая задача решается входящим в РЛУ специальным устройством - обнаружителем, в котором стараются использовать алгоритм оптимального (наилучшего) обнаружения. Качество процесса обнаружения характеризуют вероятностью правильного обнаружения когда присутствующий во входной реализации сигнал обнаруживается, и вероятностью ложной тревоги когда за полезный сигнал принимается помеха, а сам сигнал отсутствует. Обнаружитель тем лучше, чем больше и меньше

Большинство параметров принимаемого сигнала априори неизвестны, поэтому при обнаружении приходится осуществлять поиск нужного параметра радиосигнала, отличающего его от сопутствующих шумов и помех.

Построение РЛС на базе современных технологий обработки информации заключается в использовании в качестве антенн фазированной антенной решетки (ФАР), в качестве генератора пусковых импульсов синтезатора частоты - синхронизатора, в качестве выходного устройства - цифрового процессора. Передатчик в зависимости от того, какая антенна используется в РЛС, может быть реализован в модульном варианте и встроен в активную ФАР, либо в виде модулятора и однокаскадного или многокаскадного генератора радиочастоты для пассивной ФАР или зеркальной антенны. Таким образом, перспективная РЛС (рис. 1.2) состоит из ФАР,

Рис. 1.2. Построение современной импульсной

синтезатора-синхронизатора, аналогового процессора (приемника), цифрового процессора и устройства отображения информации.

Антенна по сигналам от ЭЦВМ осуществляет формирование лучей и их перемещение для обзора пространства. Радиопередатчик формирует зондирующие сигналы, которые излучаются антенной. Радиоприемник усиливает слабые отраженные целью и принятые антенной сигналы. Поскольку эти сигналы приходят в смеси с шумами и помехами, то их выделение осуществляется с помощью согласованных фильтров сосредоточенной селекции и цифровых фильтров. Обычно процессор сигналов (приемник) выдает электрические сигналы в цифровом коде. Дальнейшая обработка сигналов выполняется в процессоре данных по заложенным в него программам алгоритмов обработки. Рабочие частоты и временные интервалы в РЛС задаются с помощью синтезатора-синхронизатора. Устройство отображения информации выполняется обычно на индикаторе с электроннолучевой трубкой или на дисплее процессора.

Количество одновременно обнаруживаемых и сопровождаемых целей определяется быстродействием систем обработки информации - выходного устройства, в качестве которого обычно используется цифровой процессор. На рис. 1.3 изображен диспетчерский пункт регулирования воздушного движения в зоне аэропорта.

Рис. 1.3. Диспетчерский путсг УВД

Типичное изображение на экране индикатора кругового обзора (ИКО) РЛС УВД показано на рис. 1.4, а. Здесь можно различить светящиеся радиальные и круговые метки. В центре экрана «находится» РЛС. Яркие точки - отметки целей. По радиусу можно отсчитать дальность, а по углу поворота радиуса, проходящего через отметку цели, относительно вертикали, проходящей через центр экрана, можно измерить пеленг цели. К каждой отметке на экране «прикреплен» формуляр, который содержит необходимую информацию о бортовом номере, высоте, дальности и азимуте самолета (рис. 1.4, б). На рис. 1.4 для лучшей различимости проведено инвертирование изображения.

Рис. 1.4. Вид экрана РЛС управления воздушным движением: а - общий вид экрана; б - укрупненное изображение фрагмента экрана с формуляром

Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами . Радиоволны делятся на группы.

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой . Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой лежит на высоте 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны.

Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. Различают слои ионосферы D, Е и F Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Важным фактором при выборе диапазона длин волн является характер отражения радиоволн от целей. Если размеры цели и радиусы кривизны отдельных ее участков много меньше длины волны, то интенсивность отражения мала. При этом цель можно уподобить антенне с очень малой^дей-ствующей высотой или малой эффективной площадью.

Другой крайний случай, когда размеры цели и радиусы кривизны отдельных участков много больше длины волны, близок к оптическому; интенсивность отражения достигает заметной величины, мало зависит от длины волны и определяется в основном отражающими свойствами и размерами цели. В промежуточном случае соизмеримости размеров цели или ее отдельных участков с длиной волны возможно резонансное возбуждение участков поверхности цели, при котором интенсивность отражения заметно возрастает в некоторых направлениях.

Учитывая размеры реальных целей, приходим к выводу, что для того чтобы длина волны была много меньше этих размеров или соизмерима с ними, в радиолокации необходимо использовать ультракороткие волны (УКВ). Другая причина использования этого диапазона, особенно волн более коротких, чем метровые, связана с размерами антенн. Дело в том, что угловая ширина диаграммы направленности антенны независимо от ее типа прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна соответствующему размеру.

Для зеркальной антенны в виде усеченного параболоида ширина луча по точкам половинного значения мощности (в градусах)

где % - длина волны, a dp, - максимальный линейный размер зеркала в плоскости луча, так что, например, при Я = = 3 см для получения ширины луча 9 0 8 = 3° требуется йа » = 65 см, а чтобы луч имел такую ширину при длине волны К -3 м, размер зеркала а*х должен составлять 6,5 м.

формула (1) показывает, что острый луч, обеспечивающий разделение нескольких целей по угловой координате и высокую точность определения координат при заданных размерах антенны, можно получить только при достаточно короткой волне X.

Поэтому в ряде авиационных РЛС используют сантиметровые радиоволны, а для обзора летного поля в аэропортах - миллиметровые.

С точки зрения повышения разрешающей способности и точности {т. е. информативности радиолокационного сигнала) необходимо расширять полосу частот зондирующего сигнала, что, например, достигается уменьшением длительности зондирующих импульсов либо применением специальных сложных сигналов. Естественно, что расширение полосы передаваемых частот требует повышения несущей частоты сигнала.

При выборе диапазона волн важное значение имеют особенности распространения радиоволн в атмосфере, в частности резонансное поглощение (например, для кислорода на частоте 60 ГГц поглощение составляет около 14 дБ/км), что вынуждает избегать применения соответствующих частот.

В современных РЛС используются дециметровые, сантиметровые, миллиметровые радиоволны, а в лазерных локаторах - волны оптического диапазона. Согласно рекомендациям Международной организации гражданской авиации ОСАО), радиолокации отводится почти 30% диапазона частот 1...10 ГГц. Широко используются полосы частот, где средняя длина волны А, ср = (20, 10, 5,3) см. В иностранной литературе ширина частотного спектра часто ^оценивается в октавах (интервал, для которого отношение граничных частот fdfi =5 2).

Обозначения участков частот, образующих октавы, приведены в табл. 1.

В диапазоне 30.. Л ООО МГц для работы РЛС выделены определенные полосы частот (например, 137... 144, 216.. .225,400.. .450,890.. .942 МГц). Следует отметить, что метровый диапазон в настоящее время сравнительно редко используется для целей радиолокации. Вместе с тем, так как УКВ, как правило, распространяются лишь в пределах прямой видимости, то для обеспечения загоризонтного радиолокационного наблюдения могут найти применение декаметровые волны.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26