Школьная энциклопедия. Распространение радиоволн

Радиоволны, посланные в пространство, распространяются в нём со скоростью света. Но как только они встречают на своём пути какой-нибудь объект, например, самолёт или корабль, они отражаются от него и возвращаются обратно. Следовательно, с их помощью можно обнаруживать различные удалённые объекты, наблюдать за ними и определять их координаты и параметры.

Обнаружение местоположения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией .

Как появилась радиолокация

Александр Степанович Попов

В 1897 г. во время опытных сеансов радиосвязи между морским транспортом «Европа» и крейсером «Африка», проводимых русским физиком Александром Степановичем Поповым , обнаружили интересное явление. Оказалось, что правильность распространения электромагнитной волны искажали все металлические предметы – мачты, трубы, снасти как на корабле, с которого сигнал отправлялся, так и на корабле, где его принимали. Когда же между этими кораблями появился крейсер «Лейтенант Ильин», радиосвязь между ними нарушилась. Так было открыто явление отражения радиоволн от корпуса корабля.

Но если радиоволны способны отражаться от корабля, то с их помощью корабли можно и обнаруживать. А заодно и другие цели.

И уже в 1904 г. немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер подал заявку на первый радиолокатор, а в 1905 г. получил патент на использование эффекта отражения радиоволн для поиска кораблей. А ещё через год, в 1906 г., он предложил использовать этот эффект, чтобы определять расстояние до объекта, отражающего радиоволны.

Кристиан Хюльсмайер

В 1934 г. шотландский физик Роберт Александр Уотсон-Уотт получил патент на изобретение системы для обнаружения воздушных объектов и уже в следующем году продемонстрировал одно из первых таких устройств.

Роберт Александр Уотсон-Уотт

Как работает радиолокатор

Определение местонахождения чего-либо называют локацией . Для этого в технике применяют устройство, называемое локатором . Локатор излучает какой-либо вид энергии, например, звук или оптический сигнал, в сторону предполагаемого объекта, а затем принимает отражённый от него сигнал. Радиолокатор использует для этой цели радиоволны.

На самом деле радиолокатор, или радиолокационная станция (РЛС), - сложная система. Конструкции различных радиолокаторов могут различаться, но принцип их работы одинаков. Радиопередатчик посылает в пространство радиоволны. Достигнув цели, они отражаются от неё, как от зеркала, и возвращаются назад. Такая радиолокация называется активной.

Основные узлы радиолокатора (РЛС) – передатчик, антенна, антенный переключатель, приёмник, индикатор.

По способу излучения радиоволн РЛС делятся на импульсные и непрерывного действия.

Как работает импульсная радиолокационная станция?

Передатчик радиоволн включается на короткое время, поэтому радиоволны излучаются импульсами. Они поступают в антенну, которая располагается в фокусе зеркала параболоидной формы. Это нужно для того, чтобы радиоволны распространялись в определённом направлении. Работа радиолокатора похожа на работу светового прожектора, лучи которого подобным образом направляются в небо и, освещая его, ищут нужный объект. Но работа прожектора этим и ограничивается. А радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает сигнал, отражённый от найденного объекта (радиоэхо). Эту функцию выполняет приёмник.

Антенна импульсного радиолокатора работает то на передачу, то на приём. Для этого в ней есть переключатель. Как только радиосигнал послан, отключается передатчик и включается приёмник. Наступает пауза, во время которой радиолокатор как бы «слушает» эфир и ждёт радиоэхо. И как только антенна улавливает отражённый сигнал, тут же отключается приёмник и включается передатчик. И так далее. Причём время паузы может во много раз превышать длительность импульса. Таким образом излучаемый и принимаемый сигнал разделяются во времени.

Принятый радиосигнал усиливается и обрабатывается. На индикаторе, который в простейшем случае представляет собой дисплей, отображается обработанная информация, например, размеры объекта или расстояние до него, или сама цель и окружающая её обстановка.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Поэтому, зная время t от излучения импульса радиосигнала до его возвращения, можно определить расстояние до объекта.

R = cˑ t/2 ,

где с – скорость света.

Радиолокатор непрерывного действия высокочастотные радиоволны излучает непрерывно. Поэтому антенной улавливается также непрерывный отражённый сигнал. В своей работе такие РЛС используют эффект Доплера . Суть этого эффекта в том, что частота сигнала, отражённого от объекта, движущегося по направлению к радиолокатору, выше частоты сигнала, отражённого от объекта, удаляющегося от него, несмотря на то, что частота излучаемого сигнала постоянна. Поэтому такие РЛС используют для определения параметров движущегося объекта. Пример радиолокатора, в основе работы которого лежит эффект Доплера – радар, используемый сотрудниками ГИБДД для определения скорости движущегося автомобиля.

В поисках объекта направленный луч антенны РЛС сканирует пространство, описывая полный круг, либо выбирая определённый сектор. Он может быть направлен по винтовой линии, по спирали. Обзор также может быть коническим или линейным. Всё зависит от задачи, которую он должен выполнить.

Если необходимо постоянно следить за выбранной движущейся целью, антенна радиолокатора всё время направлена на неё и поворачивается вслед за ней с помощью специальных следящих систем.

Применение радиолокаторов

Впервые радиолокационные станции начали применяться во время Второй мировой войны для обнаружения военных самолётов, кораблей и подводных лодок.

Так в конце декабря 1943 г. радиолокаторы, установленные на английских кораблях, помогли обнаружить фашистский линкор, вышедший ночью из порта Альтенфиорд в Норвегии, чтобы перехватить военные суда. Огонь по линкору вёлся очень точно, и вскоре он пошёл ко дну.

Первые РЛС были не очень совершенными, в отличие от современных, надёжно защищающих воздушное пространство от воздушных налётов и ракетного нападения, распознающих практически любые военные объекты на суше и на море. Радиолокационное наведение применяется в самонаводящихся ракетах для распознавания местности. РЛС осуществляют слежение за полётами межконтинентальных ракет.

РЛС нашли своё применение и в мирной жизни. Без них не могут обходиться лоцманы, проводящие корабли через узкие проливы, диспетчеры в аэропортах, руководящие полётами гражданских самолётов. Они незаменимы при плавании в условиях ограниченной видимости – ночью или при плохой погоде. С их помощью определяют рельеф дна морей и океанов, исследуют загрязнения их поверхностей. Их используют метеорологи для определения грозовых фронтов, измерения скорости ветра и облаков. На рыболовных судах радиолокаторы помогают обнаруживать косяки рыбы.

Очень часто радиолокаторы, или радиолокационные станции (РЛС), называют радарами . И хоть сейчас это слово стало самостоятельным, на самом деле это аббревиатура, возникшая из английских слов «radio detection and ranging » , что означает «радиообнаружение и дальнометрия» и отражает суть радиолокации.

Для проведения урока предлагается конспект, сопровождаемый мультимедийной презентацией, которая создана в программе MicrosoftPowerPoint.

Методическая цель - показать возможность использования мультимедийной презентации для проведения лекции по физике на примере темы « Распространение радиоволн. Радиолокация»

1. Восприятие и первичное закрепление нового учебного материала.
2. Ознакомить учащихся со свойствами радиоволн, объяснить принцип радиолокации и

применение.

1. Формирование навыков: анализировать информацию, работать с литературой.

2. Развитие мышления, концентрации внимания, познавательного интереса.

3. 3. Формирование научного мировоззрения.

Повторение:

Что такое электромагнитная волна?

Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

От чего зависит скорость электромагнитной волны?

Что является источником электромагнитных волн?

Что такое дифракция?

Изучение нового материала:

1. Радиосвязь.

2. Понятие об ионосфере.

3. Радиолокация.

4. Расчет пути пройденного Радиосвязь осуществляется на:

5. Длинных 10000 - 1000м радиоволнами.

6. Применение.

Средних 1000 - 100м

Коротких 100 - 10м

Ультракоротких меньше 10м волнах.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, и проникновения их в область за препятствия. Дифракция присуща волнам любой природы.

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ за счет дифракции распространяются далеко за пределами видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.

СРЕДНИЕ ВОЛНЫ испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшее расстояние за пределы прямой видимости.

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принимать в любой точке на поверхности Земли.

Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от и ИОНОСФЕРЫ.

ИОНОСФЕРОЙ называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния 50 км от поверхности Земли, и переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70 - 80 тыс.км.

ОСОБЕННОСТЬЮ ИОНОСФЕРЫ ЯВЛЯЕТСЯ ВЫСОКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ В НЕЙ СВОБОДНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ- ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ.

Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца.

Максимальное значение количества Свободных электронов в ионосфере 2*10- 5*10

Электронов в кубическом сантиметре - достигается на высотах 250-400 км от поверхности Земли.

ПРВОДЯЩИЙ СЛОЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ - ИОНОСФЕРА - СПОСОБЕН ПОГЛОЩАТЬ И ОТРАЖАТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.

От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн.

Хорошо отражаются ионосферой и короткие волны (радио)

Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможность радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле.

Ультракороткие проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

ИТАК:

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ *скользят* вдоль поверхности Земли;

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли;

УЛЬТРОКОРОТКИЕ проникают сквозь ионосферу.

- РАДИОЛОКАЦИЯ -

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ.

Радиолокация - обнаружение и точное определение местонахождение объекта с помощью радиоволн.

В основе принципа радиолокации лежит свойство отражения электромагнитных волн.

Определение пути пройденного радиоволнами:

Если измерить с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени t между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных вол, можно определить путь, пройденный радиоволнами:

C - скорость электромагнитной волны

Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:

Чтобы определить не только расстояние до тела, но и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узконаправленный пучок создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Используются ультракороткие волны.

Вода, суша, влажная почва, городские строения и транспортные коммуникации по-разному

отражают радиоволны. Это позволяет получить своеобразную карту местности, на которой летит самолет, с помощью радиолокационных приборов на самолете.

Облака не являются преградой для электромагнитных волн.

Пеленгация - определение координат, местоположения объектов.

Применение:

1.Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов, при любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлета и посадки.

2.Военное дело: своевременное обнаружение самолетов или ракет противника, автоматическая корректировка огня.

3.Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.

4. Аварийная радиоспасательная служба- в России *КОСПАС* , в США, Канаде, Франции *САРСАТ*.С ее помощью удалось предотвратить гибель многих людей при авариях.

Закрепление материала:

1. На каких принципах основана работа радиолокатора?

Ответ: Работа радиолокатора основана на отражении радиоволн различными препятствиями.

2. Имеются ли существенные различия между условиями распространения радиоволн на Земле и на Луне?

Ответ: Луна не имеет ионосферы. Следовательно радиосвязь на Луне во всех диапазонах может происходить только в пределах прямой видимости. На Земле же радиосвязь на больших расстояниях осуществляется за счет отражения радиоволн от ионосферы и огибания земной поверхности.

3.Решение задач из сборника Рымкевич № 995, № 1009 (ответ 30 км).

Молния представляет собой искровой разряд в атмосфере длительностью несколько десятков микросекунд. Он порождает электромагнитные волны, наибольшая мощность которых приходится на диапазон средних и длинных волн радиоприемников.

Дано: t =200 мкс = 2*10 -4 с

Радиосигнал локатора прошел путь 2l, где l - расстояние до объекта, со скоростью с-скорость света в воздухе.

Тогда 2l=ct. Отсюда

L=ct/2=3*10 8 *2*10 4 c /2=3*10 4 м = 30км.

Ответ: L=30км.

Домашнее задание:

&55, 56, Задача, сборник Рымкевич № 996, 997.

Если бы Максвелл не предсказал существование радиоволн, а Герц не открыл их на практике, наша действительность была бы совсем другой. Мы не могли бы быстро обмениваться информацией при помощи радио и мобильных телефонов, исследовать далёкие планеты и звёзды с помощью радиотелескопов, наблюдать за самолётами, кораблями и другими объектами с помощью радиолокаторов.

Каким же образом радиоволны помогают нам в этом?

Источники радиоволн

Источниками радиоволн в природе являются молнии – гигантские электрические искровые разряды в атмосфере, сила тока в которых может достигать 300 тысяч ампер, а напряжение – миллиарда вольт. Молнии мы наблюдаем во время грозы. Кстати, они возникают не только на Земле. Вспышки молний были обнаружены на Венере, Сатурне, Юпитере, Уране и других планетах.

Практически все космические тела (звёзды, планеты, астероиды, кометы и др.) также являются естественными источниками радиоволн.

В радиовещании, радиолокации, спутниках связи, стационарной и мобильной связи, различных системах навигации применяются радиоволны, полученные искусственным путём. Источником таких волн служат высокочастотные генераторы электромагнитных колебаний, энергия которых передаётся в пространство с помощью передающих антенн.

Свойства радиоволн

Радиоволны – это электромагнитные волны, частота которых находится в интервале от 3 кГц до 300 ГГц, а длина - от 100 км до 1 мм соответственно. Распространяясь в среде, они подчиняются определённым законам. При переходе из одной среды в другую наблюдается их отражение и преломление. Присущи им и явления дифракции и интерференции.

Дифракция , или огибание, происходит, если на пути радиоволн встречаются препятствия, размеры которых меньше длины радиоволны. Если же их размеры оказываются бόльшими, то радиоволны отражаются от них. Препятствия могут иметь искусственное (сооружения) или природное (деревья, облака) происхождение.

Отражаются радиоволны и от земной поверхности. Причём, поверхность океана отражает их примерно на 50% сильнее, чем сýша.

Если препятствие является проводником электрического тока, то какую-то часть своей энергии радиоволны отдают ему, а в проводнике создаётся электрический ток. Часть энергии расходуется на возбуждение электротоков на поверхности Земли. Кроме того, радиоволны расходятся от антенны кругами в разные стороны, подобно волнам от брошенного в воду камешка. По этой причине радиоволны со временем теряют энергию и затухают. И чем дальше от источника находится приёмник радиоволн, тем слабее сигнал, дошедший до него.

Интерференция, или наложение, вызывает взаимное усиление или ослабление радиоволн.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света (кстати, свет – это тоже электромагнитная волна).

Как и любые электромагнитные волны, радиоволны характеризуются длиной и частотой волны. С длиной волны частота связана соотношением:

f = c/ λ ,

где f – частота волны;

λ - длина волны;

c - скорость света.

Как видим, чем больше длина волны, тем меньше её частота.

Радиоволны разбиваются на следующие диапазоны : сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие, миллиметровые и децимиллиметровые волны.

Распространение радиоволн

Радиоволны разной длины распространяются в пространстве не одинаково.

Сверхдлинные волны (длина волны от 10 км и более) легко огибают большие препятствия вблизи поверхности Земли и очень слабо поглощаются ею, поэтому энергии они теряют меньше других радиоволн. Следовательно, затухают они также гораздо медленнее. Поэтому в пространстве такие волны распространяются на расстояния до нескольких тысяч километров. Глубина их проникновения в среду очень велика, и их используют для связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине, а также для различных исследований в геологии, археологии и инженерном деле. Способность сверхдлинных волн легко огибать Землю позволяет исследовать с их помощью земную атмосферу.

Длинные , или километровые , волны (от 1 км до 10 км, частота 300 кГц – 30 кГц) также подвергаются дифракции, поэтому способны распространяться на расстояния до 2 000 км.

Средние , или гектометровые , волны (от 100 м до 1 км, частота 3000 кГц – 300 кГц) хуже огибают препятствия на поверхности Земли, сильнее поглощаются, поэтому гораздо быстрее затухают. Они распространяются на расстояния до 1 000 км.

Короткие волны ведут себя иначе. Если мы настроим автомобильный радиоприёмник в городе на короткую радиоволну и начнём двигаться, то по мере удаления от города приём радиосигнала будет всё хуже, а на расстоянии примерно 250 км он прекратится совсем. Однако спустя некоторое время радиотрансляция возобновится. Почему так происходит?

Всё дело в том, что радиоволны короткого диапазона (от 10 м до 100 м, частота 30 МГц – 3 МГц) у поверхности Земли затухают очень быстро. Однако волны, уходящие под большим углом к горизонту, отражаются от верхнего слоя атмосферы – ионосферы, и возвращаются обратно, оставляя позади себя сотни километров «мертвой зоны». Далее эти волны отражаются уже от земной поверхности и снова направляются к ионосфере. Многократно отражаясь, они способны несколько раз обогнуть земной шар. Чем короче волна, тем больше угол отражения от ионосферы. Но ночью ионосфера теряет отражательную способность, поэтому в тёмное время суток связь на коротких волнах хуже.

А ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые с длиной волны короче 10 м), не могут отражаться от ионосферы. Распространяясь прямолинейно, они пронизывают её и уходят выше. Это их свойство используют для определения координат воздушных объектов: самолётов, стай птиц, уровня и плотности облаков и др. Но и огибать земную поверхность ультракороткие волны тоже не могут. Из-за того что они распространяются в пределах прямой видимости, их применяют для радиосвязи на расстоянии 150 – 300 км.

По своим свойствам ультракороткие волны близки к световым волнам. Но световые волны можно собрать в пучок и направить его в нужное место. Так устроены прожектор и фонарик. Точно так же поступают и с ультракороткими волнами. Их собирают специальными зеркалами-антеннами и узкий пучок посылают в нужном направлении, что особенно важно, например, в радиолокации или спутниковой связи.

Миллиметровые волны (от 1 см до 1 мм), самые короткие волны радиодиапазона, схожи с ультракороткими волнами. Они также распространяются прямолинейно. Но серьёзной помехой для них являются атмосферные осадки, туман, облака. Кроме радиоастрономии, высокоскоростной радиорелейной связи они нашли применение в СВЧ технике, используемой в медицине и в быту.

Субмиллиметровые , или децимиллиметровые, волны (от 1 мм до 0,1 мм) по международной классификации также относятся к радиоволнам. В природных условиях они почти не существуют. В энергии спектра Солнца занимают ничтожно малую долю. Поверхности Земли не достигают, так как поглощаются парами воды и молекулами кислорода, находящимися в атмосфере. Созданные искусственными источниками, применяются в космической связи, для исследования атмосфер Земли и других планет. Высокая степень безопасности этих волн для организма человека позволяет применять их в медицине для сканирования органов.

Субмиллиметровые волны называют «волнами будущего». Вполне возможно, что они дадут учёным возможность изучать строение молекул веществ совершенно новым способом, а в будущем, может быть, даже позволят управлять молекулярными процессами.

Как видим, каждый диапазон радиоволн применяется там, где особенности его распространения используются с максимальной пользой.

Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

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

Наименование радиоволн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные	< 3∙10 4	> 10 000
Длинные	3∙10 4 – 3∙10 5	10000 – 1000
Средние	3∙10 5 – 3∙10 6	1000 – 100
Короткие	3∙10 6 – 3∙10 7	100 – 10
Ультракороткие:
метровые	3∙10 7 – 3∙10 8	10 – 1
дециметровые	3∙10 8 – 3∙10 9	1 – 0,1
сантиметровые	3∙10 9 – 3∙10 10	0,1 – 0,01
миллиметровые	3∙10 10 – 3∙10 11	0,01 – 0,001

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).

Радиолокацией называется обнаружение, определение координат и параметров движения различных объектов (целей), отражающих, переизлучающих или излучающих электромагнитную энергию (радиоволны). Термин «локация» происходит от латинского location – размещение, расположение. Комплекс радиотехнических устройств, выполняющих указанную задачу, представляет собой радиолокационную станцию (РЛС) , или радиолокатор.

Радиолокационным объектом может быть любое физическое тело или группа тел, электрические и магнитные свойства которых (диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость) отличаются от свойств среды, в которой распространяются радиоволны. В условиях мореплавания такими объектами являются суда, знаки навигационного ограждения, береговая черта, айсберги, надводные и береговые сооружения и пр.

Радиолокационные объекты могут быть точечными и протяженными.

Радиолокационное изображение на экране индикатора РЛС (отметка) точечных объектов или целей имеет одинаковую форму и размеры. Точечными объектами являются малоразмерные надводные цели, например буй, веха с отражателями или без них.

Точечным объектом может оказаться также и крупноразмерная цель, например, судно среднего или большого тоннажа, если оно находится на большом расстоянии от РЛС.

Радиолокационное изображение протяженного объекта повторяет в соответствующем масштабе форму и размеры самого объекта.

Полезная информация о радиолокационном объекте доставляется радиосигналами, приходящими от объекта к радиолокационной станции. В зависимости от происхождения этих сигналов радиолокация подразделяется на пассивную и активную.

Пассивная радиолокация (рис 2.1)

РЛС пассивной системы содержит в своем составе приемную антенну направленного действия, радиоприемное устройство и индикатор (рис. 2.1).

Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций и создание им помех. Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным тепловым радиоизлучением. Поэтому пассивная радиолокация называется часто радиотеплолокацией .

Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности. C помощью РЛС пассивной системы можно, например, различать границу между водой и сушей, определять трассу проходящих судов, так как температура кильватерной струи бывает выше температуры воды.

Кроме того, пассивные РЛС используются для обнаружения и определения координат воздушно-космических объектов, в частности баллистических ракет на активном участке полёта, и угловых координат таких источников радиоизлучения как Солнца, Луны и звезд. Последнее служит навигационным целям определения широты и долготы точки размещения РЛС. На этом принципе работают так называемые радиосекстаны .

В отличие от активной радиолокации, пассивная радиолокация не позволяет найти дальность объекта по данным приёма сигналов только в одном пункте. Для полного определения координат объекта необходимо совместное использование двух (или более) РЛС, разнесённых на некоторое (известное) расстояние.

Дальность действия пассивных РЛС при резко контрастных объектах может превосходить дальность действия активных (излучающих) РЛС. Точности измерения угловых координат пассивными и активными РЛС примерно одинаковы, точность определения дальности у пассивных РЛС, как правило, ниже.

2.1.2. Активная радиолокация (рис 2.2)

Активная система радиолокации может быть с пассивным (первичная радиолокация ) и активным ответом . РЛС с пассивным ответом содержит радиопередатчик, приемопередающие антенны, радиоприемник и индикатор (рис. 2.2.). Электромагнитная энергия прямых или зондирующих сигналов, излучаемых передающей антенной, распространяясь в пространстве, отражается от объекта и принимается приемником.

C выхода приемника усиленные отраженные сигналы поступают на индикатор, где преобразуются в форму, удобную для получения информации о принятых сигналах.

Активная радиолокация с активным ответом отличается от системы с пассивным ответом наличием на объекте или заранее обусловленном пункте приемопередатчика (ответчика), который отвечает на сигналы РЛС (запросчика). Такая система позволяет не только обнаружить и определить координаты объекта, но и опознать объект.

В зависимости от структуры зондирующих радиолокационных сигналов различают два метода радиолокационного обнаружения:метод непрерывного излучения колебаний и импульсный.

ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ

В основе наиболее распространённого вида радиолокации - радиолокации с зондирующим излучением - лежит явление отражения радиоволн. Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные импульсы сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ), а в промежутке между посылаемыми (зондирующими) импульсами принимает отраженные от объектов импульсные сигналы. Отраженный импульсный сигнал от каждого объекта запаздывает по отношению к зондирующему сигналу на время

t D =2D/с, где

D – расстояние до объекта;

с – скорость распространения радиоволн.

По этому интервалу времени определяется расстояние или дальность

D=ct D /2 ,

а с помощью остронаправленной антенны РЛС – направление (курсовой угол или пеленг) на обнаруженный объект (цель).

При одновременном обнаружении нескольких объектов принимаемые отраженные сигналы будут смещены во времени в зависимости от дальности до этих объектов. Отмеченная особенность импульсного режима работы РЛС позволяет довольно просто одновременно наблюдать за многими объектами, расположенными в радиусе действия РЛС.

К преимуществам импульсной РЛС относится также сравнительная простота использования одной и той же антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов.

Недостатками импульсных РЛС являются необходимость применения больших пиковых мощностей; сложность определения скорости движения объектов; невозможность измерения очень малых расстояний и относительно большая минимальная дальность радиолокационного обнаружения, зависящие от длительности импульсов, минимальное значение которых ограничивается шириной частотного спектра и временем протекания переходных процессов в аппаратуре.

Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества импульсного метода радиолокации, обеспечивающие работу РЛС в режиме кругового обзора, являются решающими для судовых навигационных РЛС.

Импульсная РЛС содержит в своем составе следующие основные элементы, показанные на структурной схеме (рис. 2.3):

синхронизатор , вырабатывающий последовательность незатухающих видеоимпульсов для управления (синхронизации) работой передатчика, приёмника и индикаторного устройства;

передатчик, состоящий из модулятора и генератора сверхвысокой частоты (ГСВЧ), который под действием синхронизирующих импульсов генерирует мощные, короткие радиоимпульсы СВЧ;

антенно-фидерное устройство , содержащее остронаправленную антенну и волноводную линию, соединяющую антенну с приемопередатчиком;

антенный переключатель , коммутирующий антенну с передачи на приём и обратно, запирающий приёмник во время излучения зондирующего импульса и блокирующий выходные цепи передатчика при приеме отраженных сигналов;

приемник, усиливающий принятые отраженные сигналы и преобразующий их в видеоимпульсы, которые поступают в индикатор;

индикатор, преобразующий напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение (отметку) на экране ЭЛТ и выдающий координаты объекта (цели);

блок передачи данных (БПД) углового положения антенны для связи с индикатором.

Работа импульсной РЛС иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис. 2.4. Запускающие импульсы 1 синхронизатора с периодом следования или повторения T и поступают одновременно (либо с постоянной задержкой) на модулятор передатчика и индикатор. Импульсный модулятор передатчика вырабатывает модулирующие видеоимпульсы 2 длительностью τ и , воздействующие на ГСВЧ, который генерирует радиоимпульсы 3 , длительностью, равной примерно длительности модулирующих импульсов. Радиоимпульсы ГСВЧ через антенный переключатель поступают в антенну и излучаются, выполняя функцию зондирующих сигналов. Через интервал времени tD на входе приемника возникают отраженные сигналы 4 , которые усиливаются и детектируются приемником. В результате детектирования на выходе приемника создаются видеоимпульсы 5 , смешанные с шумом (помехой), которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ индикатора, создавая амплитудную или яркостную отметку на экране в зависимости от способа модуляции электронного луча ЭЛТ.

D=ct D /2 ,

Включаемый одновременно с передатчиком индикатор формирует импульс 6 напряжения временной развертки ЭЛТ с длительностью прямого хода, равной t=2Dmax/c , где Dmax – максимальная дальность на шкале индикатора. Временная развертка обеспечивает отсчет дальности, а данные углового положения антенны, поступающие на индикатор через блок БПД, – отсчет азимута обнаруженного объекта (цели).

В настоящее время на некоторых образцах современных РЛС импульс, посылаемый станцией, представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Угловые координаты, т.е. направления на обнаруживаемый объект, определяют методом пеленгования с помощью направленной антенны. В зависимости от антенной системы РЛС методы определения угловых координат могут быть амплитудными и фазовыми . Амплитудные методы, использующие направленные свойства антенны, основаны на сравнении амплитуд сигналов, отраженных от объектов и принятых различными приемными антеннами.

На практике в судовых радиолокационных системах используются следующие амплитудные методы: максимума, сравнения или равносигнальный .

При определении направления (пеленгации) по методу максимума антенна плавно поворачивается, и в момент, когда объект окажется в пределах диаграммы направленности антенны, на вход приемника будут поступать отраженные сигналы (рис. 2.5). Если объект является точечным, т. е. его угловые размеры меньше, чем ширина диаграммы направленности антенны, и сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала меняется по закону изменения формы диаграммы направленности антенны .

Когда ось диаграммы направленности антенны совпадает с направлением на объект, напряжение на входе приёмника оказывается максимальным и указатель поворота антенны даст отсчет курсового угла или пеленга на объект .

Достоинством метода максимума является

его техническая простота и возможность получения наибольшего значения отношения сигналшум, так как в момент определения угловой координаты принимаемые отраженные сигналы имеют наибольшую амплитуду, отчего увеличивается дальность радиолокационного обнаружения.

Кроме того, наличие отраженного сигнала в момент пеленгования позволяет наблюдать объект на экране индикатора и измерить его координаты. Благодаря этим особенностям метод максимума широко используется в радиолокационных системах, работающих в режиме кругового обзора, например, судовых навигационных радиолокационных станциях.

Основным недостатком данного метода является относительно низкая точность определения угловой координаты вследствие того, что вблизи максимума диаграммы направленности антенны интенсивность принимаемых отраженных сигналов меняется очень мало.

Основным параметром антенной угломерной системы является ее пеленгационная характеристика , которая представляет собой зависимость входного напряжения приемника от направления приходящих отраженных сигналов U вх (a). Точность измерения направления определяется крутизной пеленгационной характеристики или пеленгационной чувствительностью, которая является производной пеленгационной характеристики при = 0:

Зная минимальную величину изменения входного напряжения , которое можно заменить при пеленговании методом максимума, можно определить угловую ошибку , которая будет равна

Следовательно, с уменьшением величины , и увеличением крутизны пеленгационной характеристики точность отсчета угловых координат повышается. Однако из-за того, что при максимальном методе пеленгования пеленгационная чувствительность очень мала, ошибки пеленгования методом максимума будут равны , где –ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности, что соответствует уровню 0,7 диаграммы по напряженности поля.

Для повышения точности пеленгования необходимо применять остронаправленные антенны с более узкой диаграммой направленности. Это достигается использованием более коротких волн и увеличением размеров антенны.

Для РЛС с одной антенной, работающей на передачу и прием отраженных сигналов, диаграмма направленности антенны используется в формировании огибающей дважды: при передаче и при приеме сигналов. Поэтому результирующая диаграмма равна произведению диаграмм передающей и приемной антенн.

ПРОСТАНСТВЕННЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР

Чтобы обнаружить объект, антенна РЛС должна периодически облучать все точки зоны, подлежащей контролю, т. е. совершать обзор заданного пространства. Различают последовательный, параллельный и смешанный виды обзора.

При последовательном обзоре луч антенны РЛС перемещается в пределах заданной зоны, периодически повторяя заданную траекторию. Время T обз , необходимое для однократного перемещения луча по всей зоне обзора, называется периодом обзора .

Наиболее распространенным видом последовательного обзора является круговой (или секторный) линейный обзор , широко используемый в судовых навигационных РЛС для обнаружения и определения координат надводных и наземных объектов (рис. 2.6.). В этом случае луч антенны с равномерной скоростью перемещается в горизонтальной плоскости, совершая круговое или (при секторном обзоре) возвратно-круговое движение.

Скорость вращения антенны выбирается такой, чтобы период T обз обзора был меньше. Это повышает точность измерения координат и уменьшает скачки отметки отраженных сигналов от движущегося объекта, воспроизводимых на экране индикатора.

Однако уменьшение T обз снижает накапливание энергии отраженных сигналов и ухудшает тем самым условия наблюдения сигналов на экране индикатора при наличии помех.

Время t обл облучения точечного объекта зависит от угла направленности антенны в горизонтальной плоскости и угловой скорости обзора:

где a г – угол направленности антенны в горизонтальной плоскости, град.;

– угловая скорость обзора, град/ сек.

Между угловой скоростью и частотой вращения антенны n в оборотах в минуту имеет место следующая зависимость: . Тогда время облучения .

Задаваясь временем облучения и шириной диаграммы направленности антенны, можно найти предельную угловую скорость обзора , и максимальную частоту вращения антенны .

Отсюда минимальная величина периода кругового обзора равна .

Время облучения выбирается исходя из периода T и следования импульсов и заданного минимального числа N min отраженных импульсов в пачке, необходимого для уверенной фиксации объекта на экране индикатора,

Следует отметить, что при обнаружении и определении координат воздушных объектов, кроме дальности и азимута, необходимо еще определять угол места (или высоту). В этом случае применяются более сложные методы пространственного обзора: винтовой, зигзагообразный или телевизионный, спиральный, конический, которые относятся к виду последовательного обзора.

МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Метод непрерывного излучения колебаний при радиолокационном обнаружении объектов основан на эффекте Доплера , при котором частота сигнала, поступающего на приемное устройство, меняется в зависимости от относительной скорости движения между передатчиком и приемником. В результате Доплеровского эффекта принимаемая частота выше – при уменьшении расстояния между передатчиком и приемником и ниже – при увеличении этого расстояния. Если относительное движение отсутствует, то принимаемая частота точно соответствует передаваемой частоте.

Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую А пер и приемную А пр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). В зависимости от назначения РЛС на его выходе включаются либо наушники, либо частотомер (рис.2.7).

Рис.2.7. Структурная схема Доплеровской РЛС

Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера.

В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражённый от цели. В смесителе они сравниваются, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской.

F Д = 2f 0 V p / c = 2V p / l , где

f 0 - частота излучаемого сигнала; V p - радиальная скорость цели;

c - скорость радиоволн, равная скорости света.

При наличии развязывающего устройства излучение и приём сигналов в доплеровской РЛС осуществляется на одну антенну (см. подраздел 11.1, рис. 11.4).

Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т.е. ввести в генератор частотную модуляцию , то появляется возможность измерить дальность.

Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала будет изменяться также, но с запаздыванием на некоторое время t , время распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика, в какой - то момент t 1 равна f 1 , то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t 1 +t успеет измениться до значения f 1 +Df , и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Df (рис 2.8).

Рис. 2.8. Изменение частоты сигнала передатчика и отражённого сигнала

при частотной модуляции излучаемых колебаний

Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - модулированные локаторы нашли свое применение в авиации, на морских судах, а также для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, обеспечивающие очень высокую точность определения дистанции.

В судовождении доплеровские РЛС применяются для измерения скорости причаливания крупнотоннажных морских судов при швартовке их к причалу, в связи с тем, что многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150-200 тыс. т, если его скорость превышает 3-5 м/мин.