Применение звуковых волн

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

     В основе наиболее распространённого  вида Р. — Р. с зондирующим излучением — лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приёмную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приёмной антенны РЛС П₂ через плотность потока мощности излучения у объекта H₁ по формуле

     П₁s = П₂×4pR²,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

      '

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

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

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

      ,

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

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

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

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

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

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