Что такое сквозной коэффициент передачи в радиолокации. Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи. Физические основы радиолокации
Тема: «Распространение радиоволн. Радиолокация. Понятие о телевидении. Развитие средств связи».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.
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»
- Восприятие и первичное закрепление нового учебного материала.
- 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.
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.
Радиолокация (от «радио» и латинского слова locatio - расположение) - область науки и техники, занимающаяся наблюдением различных объектов в воздухе, на воде, на земле, определением их местоположения и расстояния до них при помощи радио. Всем хорошо знакомо эхо. Мы слышим звук, когда говорим, и слышим вторично, когда он возвращается после отражения от стены здания или утеса. В радиолокации происходит то же самое, но с той только разницей, что вместо звуковых волн действуют радиоволны. Радиолокатор посылает импульс радиоволн в сторону объекта и принимает его после отражения. Зная скорость распространения радиоволн и время прохождения импульса до отражающего объекта и обратно, нетрудно определить расстояние между ними.
Любой радиолокатор состоит из радиопередатчика, радиоприемника, работающего на той же волне, направленной антенны и индикаторного устройства (см. Индикатор).
Передатчик радиолокатора посылает в антенну сигналы короткими очередями - импульсами. Антенна радиолокатора, обычно имеющая форму вогнутого прожекторного зеркала, фокусирует радиоволны в узкий луч и направляет его на объект (рис. 1). Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается то к радиопередатчику, то к радиоприемнику (рис. 2). В промежутках между излучениями импульсов радиопередатчика работает радиоприемник. Он принимает отраженные радиоволны, а включенное на его выходе индикаторное устройство показывает расстояние до объекта.
Роль индикаторного устройства выполняет электроннолучевая трубка (см. Кинескоп). Электронный луч перемещается по экрану трубки с точно заданной скоростью, создавая движущуюся светящуюся линию. В момент посылки радиопередатчиком импульса радиоволн светящаяся линия на экране трубки делает всплеск. Аналогичный всплеск на светящейся линии трубки появляется и по возвращении «радиоэха». Поскольку скорость распространения радиоволн известна - она равна скорости света (300 000 км/с), то по интервалу между всплесками электронного луча на экране трубки можно определить расстояние до объекта. Радиоволны отражаются землей, водой, деревьями, металлическими и другими предметами. Наилучшее отражение происходит тогда, когда длина излучаемых радиоволн меньше отражающего их предмета. Поэтому радиолокаторы работают в диапазоне ультракоротких волн (см. Радио).
Радиолокаторы, установленные на судах, позволяют получить картину береговой линии, «прощупать» водные просторы, они предупреждают о приближении других судов и плавающих ледяных гор - айсбергов. По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов (см. Диспетчерское управление) контролируют движение самолетов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полета и наблюдают очертания местности, над которой они летят (см. Навигационные приборы). Используя радиолокационные средства, синоптики следят за образованием и передвижением облаков, развитием и прохождением ураганов и тайфунов (см. Метеорологическая техника).
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.
