Распространение радиоволн. Основные определения радиолокации
Введение в радиолокацию.
Введение
Решение огромного количества задач с заданной эффективностью невозможно без использования радиолокационной техники, физические принципы действия которой основаны на рассеянии радиоволн объектами, метеообразованиями и другими неоднородностями (далее объектами), отличающимися своими электрическими характеристиками (электрической проницаемостью ε, диэлектрической проницаемостью μ и электропроводностью σ).
Интенсивность и другие неэнергетические характеристики рассеяния или отражения радиоволн (интенсивность вторичного поля) зависят:
От степени отличия характеристик облучаемых объектов и среды распространения радиоволн (РРВ),
От формы объектов,
Соотношения их размеров l и длины волны λ
От поляризации радиоволн.
Именно эти характеристики интересны с прикладной точки зрения.
Поэтому рассмотрение основных понятий, используемых в радиолокации, является весьма актуальным.
Для достижения поставленных целей рассмотрим следующие вопросы:
1. Физические основы радиолокации.
2. Системы координат, используемые в радиолокации.
3. Основные методы радиолокации.
Данный учебный материал можно найти в следующих источниках:
1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. – М.:
Радиотехника, 2004.
2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные
устройства. – М.: Советское радио, 1975.
1. Физические основы радиолокации.
Радиолокация – это область радиоэлектроники, занимающаяся обнаружением объектов (целей), определением их пространственных координат, параметров движения и физических размеров с помощью радиотехнических средств и методов.
Перечисленные задачи решаются в процессе радиолокационного наблюдения, а устройства, предназначенные для этого, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами.
К радиолокационным целям (или просто целям) относятся: пилотируемые и беспилотные летательные аппараты (ЛА), естественные и искусственные космические тела, атмосферные образования, морские и речные корабли, различные наземные и подземные, надводные и подводные объекты и т.д.
Информация о целях содержится в радиолокационных сигналах.
В случае радиолокационного зондирования ЛА, прежде всего, необходимо получить информацию об их пространственных координатах (дальность до цели и ее угловые координаты).
Радиотехнические измерения дальности называются радиодальнометрией , а угловых координат - радиопеленгацией .
Измерению координат и скорости целей предшествует их обнаружение, разрешение и опознавание.
Под разрешением целей понимают определение количества целей в группе, их протяженности, класса и т. д.
Опознавание цели означает установление ее существенных признаков, в частности, государственной принадлежности.
Определение типа (класса) цели производится в процессе ее распознавания, что предполагает сложную обработку радиолокационных сигналов.
Совокупность сведений, получаемых радиолокационными средствами, называется радиолокационной информацией . Последняя передается на командные пункты, ПК и исполнительные устройства.
Из всех перечисленных функций радиолокации основной является радиолокационное наблюдение (обнаружение целей, измерение координат и параметров движения), а различение объектов, опознавание их и передача полученной радиолокационной информации по назначению относятся к дополнительным функциям PJIC.
Получение радиолокационной информации основывается на физических свойствах электромагнитных волн (ЭМВ), используемых в качестве носителей радиолокационного сигнала. Как известно, ЭМВ распространяются в однородной среде прямолинейно с постоянной скоростью
где ,- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды РРВ.
Для
свободного пространства
Ф/м;
Г/м
и соответственном/с.
Постоянство вектора скорости распространения ЭМВ в однородной среде, т.е. его модуля и направления, служит физической основой радиолокационных измерений.
Действительно, благодаря этому дальность и время распространения радиоволны (РВ) связаны прямой пропорциональностью, и если измерено время прохождения волнымежду целью и РЛС, то становится известным и расстояние между ними:
Цель вносит неоднородность в свободнее пространство, так как ее параметры иотличаются соответственно оти, чем нарушается постоянство вектора скорости РРВ.
В результате объект преобразует радиоизлучение: часть энергии переотражается, часть – поглощается объектом, переходя в тепло, а другая часть при радиопрозрачности объекта – преломляется, изменяя направление РРВ. С точки зрения радиолокации интересен первый случай, когда цель становится источником вторичного излучения.
По времени запаздывания отраженного сигнала относительно излученного
определяем наклонную дальность цели
Возможно и такое решение: на цели, если она «своя», а не противника, устанавливается приемопередатчик, называемый ответчиком, или ретранслятором, который принимает зондирующий сигнал от РЛС и усиливает его для запуска передатчика. Ответный сигнал принимается на РЛС, и дальность цели определяется по формуле
,
(1.5)
где - запаздывание ответного сигнала относительно зондирующего;-заранее известное время задержки сигнала в цепях ответчика.
Величина должна измеряться безынерционными электронными часами, так как время запаздывания радиолокационных сигналов очень мало (от микро- до миллисекунд).
Например, ЭМВ, отраженные от цели, расположенной на дальности D =150м от радиолокатора, запаздывают на 1 мкс, и каждому километру дальности до цели соответствует задержка ЭМВ на время 1000/150 = 6,7 мкс.
Допустим,
радиолокационная антенна имеет вид
прямолинейной решетки из р
вибраторов, отстоящих один от другого
на расстоянии d
(рис. 1.1, а). Значительная удаленность
цели от РЛС позволяет считать, что лучи,
идущие отцели к вибраторам, направлены
параллельно под углом φ к антенной
решетке, а амплитуды электрических
движущих сил (ЭДС), наводимых в
отдельныхвибраторах, равны между собой:
.
В этих условиях ЭДС соседних вибраторов отличаются только сдвигом по фазе ψ, вызванным разностью хода волн . Так как на каждую единицу длины данная бегущая волна отстает по фазе на угол, то
.
(1.6)
Сложение
векторов ЭДС вибраторов
при
различных углах ψ= ψ" (рис. 1.1, б) и ψ = ψ"
(рис. 1.1, в) дает различную результирующую
ЭДС
.
Как видно из рисунка 1.1 и формулы (1.6), с
изменениемφ изменяется фаза ψ, а
следовательно, и амплитуда результирующей
ЭДС в приемной антенне. Отсюда вытекает
возможность пеленгации цели по амплитудным
и фазовым характеристикам направленности
антенны.
Рис. 1.1. Прием ЭМВ линейной вибраторной антенной решеткой (а) и векторные диаграммы ЭДС решетки при различных направлениях облучения (б, в)
Как уже говорилось, первопричиной образования таких характеристик явилось различие в запаздывании волн, принимаемых отдельными элементами антенной решетки. Поэтому не только радиодальнометрия, но и радиопеленгация основана на постоянстве скорости и направления РРВ.
Радиальную и угловую скорости цели можно найти вычислением скорости приращения дальности и углов во времени. Обычно предпочитают более простую и точную операцию - непосредственное измерение так называемого допплеровского сдвига несущей частоты сигнала , вызванного движением цели.
Доплеровский сдвиг частоты связан с радиальной скоростью движения
объекта соотношением
,
(1.7)
где – длина волны излучаемого сигнала;– радиальная скорость относительного движения цели.
Если цель приближается к РЛС или удаляется от нее, то отраженный сигнал появляется в РЛС соответственно раньше или позже, чем при неподвижной цели. За счет этого фаза принимаемой волны имеет другие значения,что равнозначно приращению частоты радиосигнала. Измерив полученное (допплеровское) приращение частоты, можно (опять же благодаря постоянству скорости РРВ) определить радиальную скорость цели.
Подобно тому, как разность времени запаздывания сигнала в элементах антенны определяется угловыми координатами цели, разность допплеровских сдвигов частот в тех же (обычно крайних) элементах антенной решетки определяется скоростью изменения углового положения цели.
Другими физическими свойствами ЭМВ являются:
Прямолинейность распространения в однородной среде, что важно приточном измерении угловых координат и параметров движения;
Способность формироваться в узкий пучок, повышая тем самым точность, разрешающую способность и помехоустойчивость РЛС;
Способность отражаться от объектов;
Способность изменять свою частоту при наличии относительного движения цели и РЛС.
Таким образом, в отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризацияи т.д.).
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
Цель: ознакомить учащихся со свойствами радиоволн различной длины и о развитии средств связи; объяснить принцип радиолокации и телевидения;
Формировать неформальные знания и умения в освоении понятий «радиолокация» и «телевидение»;
Воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики.
Оборудование: презентация «Понятие о телевидении».
Ход урока.
I.Организационный момент.
II. Актуализация знаний.
А). Беседа по вопросам.
1. Что такое электромагнитное поле?
2. Что называется электромагнитной волной?
3. Каковы основные характеристики электромагнитной волны?
4. Каково устройство и принцип действия вибратора Герца?
5. В чём состоит научное и практическое значение опыта Герца?
6. Рассказать о истории развития радио в России.
7. В чём значение опытов А.С. Попова?
8. Расскажите о назначении отдельных деталей приёмника
8. Какова роль Г.Маркони в развитии радиосвязи?
Б). Решение задач.
№1. Электромагнитная волна, с помощью которой передают сигнал бедствия SOS, имеет длину волны 600 м. Принята такая длина волны по международному соглашению. Найти на какой частоте передается этот сигнал.
№ 2. Радиоприемник в автомашине прекращает работу, когда она проезжает под мостом или эстакадой. Почему? (Происходит экранирование и частичное поглощение радиоволны).
№ 3. В приемном контуре колебательного контура включена катушка индуктивностью 2 мкГн.Найти электроемкость конденсатора, если радиоприемник принимает волны длиной 900 м.
№ 4. Подводные лодки, погружаясь на некоторую глубину, не могут пользоваться радиосвязью. Почему? (Морская вода, хороший проводник, она поглощает радиоволны)
III . Изучение нового материала
Распространение радиоволн
Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли. По нему распространяется так называемая поверхностная (земная) волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути.
Форма Земли ограничивает дальность приема поверхностных волн. Если бы они распространялись строго прямолинейно, то радиосвязь была бы возможна только на расстоянии прямой видимости. Но поскольку с высотой электрические и магнитные параметры атмосферы меняются, поверхностная волна преломляется, отклоняясь к Земле, ее траектория искривляется, и дальность приема увеличивается.
Препятствия на поверхности Земли отражают радиоволны. За препятствиями может образовываться радиотень, куда волна не попадает. Но если длина волны достаточно велика, то вследствие дифракции волна огибает препятствие и радиотень не образуется. Мощные радиостанции, работающие на длинных волнах, обеспечивают связь на несколько тысяч километров. На средних волнах связь возможна в зоне до несколько сотен километров. На коротких волнах - лишь в зоне прямой видимости. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли. На высоте порядка100-300 км волны встречаются со слоем, состоящем из воздуха, ионизированного электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемым им. Этот слой называют ионосферой.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны, большей 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Волны после отражения в ионосфера вновь попадают на Землю. Однако все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И, наоборот, если угол меньше некоторой предельной величины, волна под тем же углом отражается к Земле. Чем меньше длина волны, тем глубже волна проникает в ионосферу, а значит, с большей высоты отражается. Короткие волны распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях на Земле. На распространение радиоволн влияют форма и физические свойства земной поверхности, а так же состояние атмосферы.
Классификация радиоволн:
Длинные, средние, короткие волны используются в телеграфии, радиовещании, телевидение, радиолокации и так далее.
Метровые и дециметровые волны используются для исследования свойств вещества.
Сантиметровые и миллиметровые волны получают в магнетронах, мазерах. Применяются в радиолокации, радиоастрономии и радиоспектроскопии.
Электромагнитные волны нашли применение в радиолокации, где используется явление отражения электромагнитных волн. Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор состоит из приемной и передающей частей. Радиолокатор (радар) – это комбинация ультрокоротковолнового радиопередатчика и приёмника, имеющих общую приёмно-передающую антенну, создающую остронаправленный радиолуч. Излучение осуществляется короткими импульсами. В радиолокации используются волны сверхвысокой частоты – от 108 до 1011 Гц. Генератор, связанный с антенной излучают остронаправленную волну. Если длина волны 10 см, то радар имеет антенну в виде параболического зеркала. Если длина волны =1 м, то антенна радара имеет вид системы вибраторов. Отраженная волна принимается той же антенной, для этого она работает в импульсном режиме. Расстояние до объекта вычисляется по формуле:
R = с t/2 ; деление на 2, потому что волна идет до цели и обратно.
Применение радиолокационных установок:
Транспорт авиа, морской, железнодорожный, метеослужба, оборона Родины, астрономия. Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов по любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлёта и посадки самолётов. Военное дело: своевременное обнаружение самолётов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня. Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.
Аварийная радиоспасательная служба. Это совокупность искусственных спутников Земли, движущихся на круговых околополярных орбитах, наземных пунктов приёма информации и радиобуёв, устанавливаемых на самолётах, судах, а также переносимых альпинистами. При аварии радиобуй посылает сигнал, который принимается одним из спутников. ЭВМ, расположенная на нём, вычисляет координаты радиобуя и передаёт информацию в наземные пункты. Система создана в России (КОСПАС) и США, Канаде, Франции (САПСАТ). С её помощью удалось предотвратить гибель людей при авариях.
Зачем нужна связь?
Это способ общения людей, необходимое звено для ведения хозяйства любой страны.
Направления, по которым развиваются средства связи.
Телефонная связь. Сотовая связь. Радиосвязь. Телевизионная связь. Телеграфная связь. Космическая связь. Интернет. Фототелеграф. Видеотелефонная связь.
Области развития видов радиосвязи.
Радиовещание, телевидение, радиотелеграфия, радиотелефония.
Космическая связь.
Это обычная радиосвязь или лазерная связь с помощью, которых осуществляется связь между наземными приемно – передающими станциями и космическими аппаратами, или между несколькими наземными станциями через спутники связи или между космическими аппаратами.
Виды линии передачи радиоволн.
Линия, выполненная электрическим кабелем; двухпроводная линия; радиорелейная линия, волоконно – оптическая линия, лазерная связь.
Преимущества волоконно – оптической линии связи.
В настоящее время такие линии считаются самыми совершенными для передачи информации. В таких линиях используется эффект полного внутреннего отражения.
Большая пропускная способность, небольшие габариты и масса, отсутствие помех, малая стоимость – это не полный перечень достоинств таких линий.
Лазерная система связи.
РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СВЯЗИ
Современное общество не может развиваться без обмена информацией. Связь - это передача и прием информации с помощью различных методов. Одним из самых эффективных способов является передача информации с помощью электрических сигналов, т. е. электросвязь. Структура электросвязи фактически нам известна: передатчик сигнала – канал связи – приемник. Радиосвязь - частный случай электросвязи. В случае радиосвязи канал связи - это среда передачи электромагнитных волн.
Естественным спутником передачи сигнала являются помехи. Для исключения помех и для сохранения секретности информации применяют методы кодирования сигналов. Для передачи разных сигналов-сообщений необходимы разные полосы частот, т. е. свои каналы связи. Телефонные каналы работают в пределах от 300 до 3400 Гц, каналы звукового вещания - от 30 до 15 000 Гц, телевизионного вещания - от 50 Гц до 6 МГц. В одной линии может быть несколько каналов связи.
Совокупность различных свойств определяет длину радиоволны, используемую в конкретных системах связи. Однако влияние оказывают и не только чисто физические факторы. Так, в средней полосе России, где велика плотность населения, широкое распространение получили радиорелейные линии сантиметрового диапазона. Станции-ретрансляторы располагаются в пределах прямой видимости на расстоянии порядка 50 км и позволяют транслировать несколько телевизионных каналов и огромное количество телефонных. В районах Крайнего Севера, где плотность населения невелика, целесообразно применять радиорелейные линии дальнего тропосферного рассеивания, позволяющие ставить ретрансляторы на расстоянии 200 - 1000 км друг от друга. В то же время никакие волны, кроме мириаметровых, не смогут добраться до подводной лодки, лежащей на дне под многометровой толщей соленой воды, из-за сильного поглощения.
При передаче секретных сообщений интерес представляют метеорные линии связи. Ведь, отражаясь от конкретного метеорного следа, как солнечный зайчик от зеркала, волна попадает только в определенную точку, а сама передача информации происходит только во время существования этого метеорного следа.
Для передачи больших потоков информации (ТВ - каналы, сотни и тысячи телефонных, а также каналы передачи информации в цифровом виде) используются системы связи через искусственные спутники Земли, например, «Интелсат» (США), «Молния», «Орбита» (Россия). Широкое распространение в настоящее время получили системы сотовой телефонной связи, когда приемопередающие станции располагаются так, чтобы обеспечить стабильную связь с мобильными приемопередатчиками (сотовыми телефонами) на всей территории обслуживаемого района. Далее эти станции обеспечивают выход на проводную телефонную сеть, междугородную или международную.
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
С помощью радиоволн можно передавать на расстояния не только звук, но и изображение. Без телевизионной связи сейчас трудно представить нашу цивилизацию. Практически в каждом доме имеется телевизор – источник информации. История создания телевизионного вещания началась в Х1Х веке. Само слово телевидение было введено русским инженером-электриком К. Д. Перским на международном конгрессе в 1900 году. Это слово произошло от греческого слова «теле», что означает «далеко», и латинского – «визо», что означает «смотреть». Возможность видеть события, происходящие в разных уголках земного шара и в нашей Солнечной системе, наблюдать за космическими объектами сделала телевидение незаменимым средством информации и культурного общения всех народов мира. Как же начиналось телевидение? В конце Х1Х века телевизионная лихорадка охватила всю планету. В патентные бюро поступили описания более двадцати пяти проектов – прообразов телевизионных систем. Наиболее интересная система механического телевидения была предложена немецким изобретателем Нипковым. Но механические системы были очень громоздкими. А теперешнее, электронное, телевидение родилось 25 июля 1907 года, когда профессор Петербургского университета Борис Львович Розинг подал заявку в патентные ведомства России, Англии и Германии на изобретенный им способ электрического воспроизведения изображения с помощью электронной развертки. 22 мая 1911 года Б. Л. Розинг впервые в мире демонстрирует изображение четырех параллельных линий, полученное с помощью немеханической приемной системы. Принципиальными особенностями по сравнению с радиосвязью являются: преобразование изображения в электрические сигналы и наоборот, преобразование электрических сигналов в видеоизображение. Это происходит в специальных устройствах: в первом случае – в иконоскопе, во втором случае – в кинескопе. В современных системах цветного телевидения это сложные радиоэлектронные устройства.
Иконоскоп устроен так. В вакуумном стеклянном баллоне укрепляется мозаичный экран- слюдяная пластинка, покрытая очень тонким слоем металла. Наружная поверхность этой пластинки представляет собой мозаику из сотен тысяч крошечных зерен серебра, обработанных парами цезия (множество миниатюрных фотоэлементов). С помощью объектива на мозаике фокусируется изображение предмета. Под действием света из фотоэлементов вследствие внешнего фотоэффекта выбиваются электроны, которые летят на заземленный электрод. Чем ярче свет, тем больше вылетает электронов, тем сильнее электрический импульс. Величина импульса, кроме того, зависит и от количества электронов, заполняющих ячейку. Для восполнения числа потерянных электронов служит электронный прожектор , тонкий луч которого с помощью отклоняющей системы обегает построчно всю мозаику и порождает в цепи переменный ток, который затем усиливается. В результате получается точная развернутая во времени электронная копия распределения света и тени на изображении. Этим током в передатчике модулируется электромагнитная волна, которая и излучается в пространство.
Преобразование электромагнитных волн, электрической энергии в световую энергию и, следовательно, в изображение происходит в приемной трубке телевизора - кинескопе.
Кинескоп представляет собой электронно-лучевой прибор для воспроизведения изображения. Черно-белый кинескоп состоит из вакуумного стеклянного баллона, электронного прожектора , создающего пучок электронов, отклоняющей системы и люминесцентного экрана. Отклоняющие системы бывают двух типов: электростатические и магнитные. В современных кинескопах чаще всего встречаются магнитные системы: электронный луч отклоняется под действием магнитного поля. Принятый антенной телевизионный сигнал преобразуется и подается на электрод. Люминофор светится тем сильнее, чем интенсивнее электронный луч, движение которого синхронизировано с движением электронного луча на передающей трубке. Таким образом, на экране кинескопа создается такое же изображение, как и на мозаике иконоскопа. Внимательно всмотритесь в изображение на телевизионном экране: оно состоит из большого количества горизонтальных линий - их называют строками. Каждый кадр содержит ровно 625 строк. За 1/25 долю секунды луч «прорисовывает» на экране 625 строк, затем процесс повторяется. За секунду кадры сменяются 25 раз! Точности ради отметим, что 625 строк луч рисует не подряд, а через строку: нечетные, а затем четные строки. Число строк и количество кадров в течение секунды выбраны не случайно. Здесь учтены два свойства нашего зрения: инерционность и разрешающая способность. Если бы телевизионные кадры сменялись реже 25 раз в секунду, то изображение на сетчатке исчезло бы раньше, чем на экране появлялся бы следующий кадр. Глаз стал бы фиксировать мелькания. Вы, наверное, видели, как смешно движутся люди в старых кинокартинах. Это объясняется тем, что число кадров в секунду в то время было слишком мало – 16 в секунду. При проектировании телевизоров расстояние между строками выбирают таким образом, чтобы сидящий на расстоянии 2 м от экрана человек не видел бы отдельных строк. Поскольку при этом весь кадр виден под углом около 10 0 , т. е. 600", а разрешающая способность глаза составляет 1", то строк должно быть более 600 (а их 625)
ЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ
В вещательном цветном телевидении наиболее распространены так называемые масочные цветные кинескопы, в которых экран образован неразличимыми глазом узкими полосками или точками люминофоров - красного, зеленого и синего свечения. Три электронных прожектора формируют три сходящихся электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. Это обеспечивается пропусканием подходящих к экрану под различными углами пучков через цветоделительную маску со щелевыми или круглыми отверстиями.
Ощущение всей гаммы цветов обеспечивается сложением в глазу излучения трех люминофоров, возбуждаемых в различных пропорциях видеосигналами, и отражающими содержание синей, зеленой и красной составляющих изображения. Электронно-оптическая система цветного кинескопа сводит три пучка в одну точку.
IV. Закрепление изученного материала.
А). Фронтальная беседа.
1. Какое свойство электромагнитных волн используется в радиолокации?
2. Что называется радиолокацией?
3. Волны, какой длины используются радарами?
4. Для каких целей создают остронаправленную волну?
5. Чем отличается кинескоп от иконоскопа?
6. Назовите области применения радиолокации.
7. Как картинку передать на большое расстояние?
8. Как получают изображение на экране кинескопа?
9. Как в иконоскопе получают изображение и затем передают его в виде электромагнитных волн?
10. Зачем и каким образом, волне придают вид луча?
11. Как и с помощью чего радар усиливает принятую отраженную радиоволну?
12. Чем объясняется лучшая слышимость радиостанций зимой?
Б). Решение задач:
1.Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 200 Гц?
2. На каком расстоянии от радиолокатора находится самолет, если отраженный от него сигнал принят через 210 -4 с после посылки этого сигнала?
3.Определить период колебаний в колебательном в колебательном контуре, излучающем электромагнитные волны длиной 450 м.
4. Радиосигнал, посланный на Луну, отразился и был принят на Земле через 2,5с после посылки. Определить расстояние от Земли до Луны.
5. На какой частоте корабли передают сигналы бедствий SOS если по Международному соглашению длина волны равна 600 м?
6. Определить дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду.
7. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300 метров за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2 кГц?
Определите дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду?
Определите период и частоту радиопередатчика, работающего на волне длиной 30 м.
Определите частоту и длину волны радиопередатчика, если период его электрических колебаний 10 -6 с.
Сколько радиостанций может работать без помех в диапазоне длин волн 200-600 м, если каждой станции отводят полосу частот 4 кГц?
VI. Домашнее задание: § 55 - 57.
Так как при передаче электромагнитных волн приемник и передатчик часто располагаются вблизи поверхности Земли, то форма и физические свойства Земной поверхности будут значительно влиять на распространение радиоволн. Помимо этого, на распространение радиоволн будет также влиять состояние атмосферы.
В верхних слоях атмосферы находится ионосфера. Ионосфера отражает волны с длинной волны λ>10 м. Рассмотрим каждый вид волн отдельно.
Ультракороткие волны
Ультракороткие волны - (λ < 10 м). Этот диапазон волн не отражается ионосферой, а проникает сквозь нее. Они не способны огибать земную поверхность, поэтому чаще всего используются для передачи сигнала на расстояния в пределах прямой видимости.
Помимо этого, так как они проникают через ионосферу, то могут использоваться для передачи сигнала в открытый космос, для связи с космическими кораблями. В последнее время участились попытки обнаружения других цивилизаций и передачи им различных сигналов. Отправляются различные сообщения, математические формулы, сведения о человек и т.д.
Короткие волны
Диапазон коротких волн - от 10 м до 100 м. Данные волны будут отражаться от ионосферы. Они распространяются на большие расстояния только за счет того, что многократно будут отражаться от ионосферы к Земле, и от Земли к ионосфере. Эти волны не могут пройти сквозь ионосферу.
Мы можем испустить сигнал в Южной Америке, а принять его, например, в центре Азии. Этот диапазон волн оказывается как бы зажатым между Землей и ионосферой.
Средние и длинные волны
Средние и длинные волны - (λ значительно больше 100 м). Данный диапазон волн отражается ионосферой. Помимо этого, данные волны хорошо огибают земную поверхность. Это происходит вследствие явления дифракции. Причем, чем больше длинна волны, тем это огибание будет сильнее выражено. Эти волны используются для передачи сигналов на большие расстояния.
Радиолокация
Радиолокация - это обнаружение и определение точного местонахождения некоторого объекта с помощью радиоволн. Радиолокационная установка называется радаром или радиолокатором. Радар состоит из принимающей и передающей частей. Из антенны передаются остронаправленные волны.
Отраженные волны принимаются либо этой же антенной, либо другой. Так как волна является остронаправленной, то можно говорить о луче радиолокатора. Направление на объект определяется как направление луча, в момент когда отраженный луч поступил в приемную антенну.
Для определения расстояния до объекта используют импульсное излучение. Передающая антенна излучает волны очень короткими импульсами, а остальное время она работает на прием отраженных волн.
Расстояние определяется путем измерения времени прохождения волны до объекта и обратно. И так как скорость распространения электромагнитных волн равняется скорости света, будет справедлива следующая формула.
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.
