Методы измерения дальности

Введение

Радиолокация как наука основана на использовании ряда физических законов, связанных с распространением и рассеянием электромагнитных волн (ЭМВ). Важнейшим для радиолокации свойством электромагнитных волн является их рассеяние при падении на объекты. Это позволяет, принимая рассеянные объектом волны и измеряя их параметры, судить о наличии и свойствах объекта. В общем случае объект рассеивает волны во все стороны, в том числе и в сторону, обратную направлению прихода падающей волны. Таким образом, облучая объект, можно принимать отражённую волну в том же месте, откуда распространяется волна облучения.

Закон о прямолинейности распространения электромагнитных волн в однородной среде используется для определения угловых координат объекта путём измерения направления прихода волны как вектора, перпендикулярного фазовому фронту волны.

Постоянство скорости распространения электромагнитных волн позволяет определять дальность до объекта путём измерения задержки волны при распространении её от объекта до радиолокатора.

Важным свойством электромагнитных волн является их малое затухание при распространении в атмосфере и космосе, что позволяет получать большие дальности обнаружения объектов практически в любых метеоусловиях. Затухание в атмосфере значительно ограничивает дальность распространения электромагнитных волн, особенно в дожде.

Электромагнитные волны, рассеянные движущимся объектом, имеют другую длину волны по сравнению с волной облучения (доплеровское смещение частоты). Этот эффект позволяет выделять движущиеся объекты и определять их скорость путём измерения величины смещения частоты.

Часто к радиолокации относят также два других направления науки и техники, связанные с излучением и приёмом радиоволн, приходящих от объектов.

Первое направление – радиометрия, или теплорадиолокация, использует для изучения объектов их собственное излучение как нагретого тела в радиодиапазоне частот, которое принимается и анализируется широкополосным приёмником. Иногда этот метод называют пассивной радиолокацией.

Второе направление – радиолокация с активным ответом. Характерным примером этого направления является система государственного опознавания, в которой объект оснащён активным ответчиком, излучающим электромагнитную волну в ответ на запросную (облучающую) волну радиолокатора.

 

1. Общие сведения о радиолокации. Принципы радиолокационного наблюдения целей.

Радиолокация – область радиоэлектроники, занимающаяся применением радиоволн для обнаружения, определения координат и измерения параметров движения различных объектов.

Все объекты наблюдения в радиолокации называются целями. К ним относятся, например, корабли, самолеты, танки и т.д. операции выполняемые в радиолокации для обнаружения целей, измерения их координат и параметров движения, в целом называются радиолокационным наблюдением. Частные задачи радиолокационных наблюдений решаются радиолокационными устройствами (измерителями дальности, угловых координат, устройством селекции движущихся целей).

Совокупность функционально связанных радиолокационных устройств, предназначенных для решения какой-либо боевой задачи (обеспечение перехвата воздушных целей, прицеливание при действии по наземным целям и т.п.), называется радиолокационной системой. Техническая реализация радиолокационной системы в виде совокупности блоков или узлов обычно называется радиолокационной станцией (РЛС).

Явление отражения радиоволн.

Радиоволны способны отражаться от границы раздела двух вещественных сред, различающихся своими электрическими свойствами. Поэтому, если объекты, электрические свойства которых отличаются от воздуха, облучать радиоволнами, то в окружающем пространстве возникают отраженные этими объектами сигналы. Мощность и некоторые другие характеристики отраженных сигналов зависят не только от мощности излучения, но и от электрических и геометрических свойств объектов. Поэтому, анализируя отраженные сигналы, можно судить о наличии отражающих объектов, различать одни объекты от других и оценивать их принадлежность к тому или иному классу объектов.

Явление отражения радиоволн было обнаружено в 1897 году. Александром Степановичем Поповым при организации радиосвязи между кораблями Балтфлота. Он обнаружил эффект затенения передающей радиостанции и ослабление приема при прохождении корабля между приемником и передатчиком. А.С. Попов дал этому явлению следующее объяснение: “… попадаясь на пути электромагнитной волны, они (предметы) нарушают ее правильность, отчасти подобно тому, как действует на обыкновенную волну, распространяющуюся по поверхности воды, брекватер, отчасти вследствие интерференции волн и их возбужденных, с волнами источника”.

Для того времени это было достаточно точное объяснение явления отражения радиоволн. Все последующие опыты по этому явлению по существу повторяли опыты А.С. Попова с дальнейшим уточнением особенностей отражения.

Практическое применение явления отражения радиоволн было осуществлено примерно 40-50 лет спустя открытия его А. С. Поповым. Большую роль в развитии радиолокации сыграли советские ученые Папалекси, Берг, Введенский, Ицхоки и многие другие (каждый в своей области).

Эффект запаздывания радиоволн.

Измеряя время между моментами излучения радиоволн и приема отраженного сигнала, можно определить расстояние до отражающего объекта

 (эффект запаздывания).

Определяя пространственную ориентацию фронта отраженной волны, можно определить направление на объект.

Принцип разрешения объектов по дальности.

Концентрируя энергию радиоволн во времени, можно раздельно наблюдать объекты, расположенные на различных удалениях, определять расстояние до них. Концентрация энергии во времени достигается путем использования импульсного режима работы РЛС. Процесс раздельного наблюдения объектов, удаленных на различные расстояние, носит название разрешения объектов по дальности.

Принцип разрешения объектов по угловым координатам.

Направленные антенны концентрируют энергию излучения в пределах телесного угла, занимаемого лепестком Д.Н. и, практически, не создают излучения за пределами этого угла, что дает возможность раздельного наблюдения объектов и на одинаковых расстояниях. Этот процесс называется разрешением объектов по угловым координатам.

Отражающие свойства объекта характеризуют его эффектной площадью рассеяния (ЭПР). ЭПР называется площадь поверхности, на которую надо умножить плотность потока мощности излучения, для того, чтобы получить реально наблюдаемую мощность отраженного сигнала.

Значение ЭПР, позволяющие оценить порядок площади рассеяния различных объектов сведены в таблицу №1.

Объект наблюдения	ЭПР (м²)
Пассажирский теплоход	14000
Грузовое судно	7500
Транспортный самолет	До 50
Средний бомбардировщик	20
Истребитель	1 – 3
Человек	0,5 – 1
ГЧ МБР	0,1 – 0,2
1м² земли (мелкий лес)	10‾³ - 10‾²

Виды радиолокации.

Электромагнитные волны еще не являются радиолокационным сигналом, т.к. они становятся носителем информации о цели лишь после соприкосновения с целью. От того, какую роль при этом играет цель сигналов или вида радиолокации.

Активная радиолокация(метод отраженного сигнала) (рис.1).

Радиоволны, излучаемые антенной РПРДУ РЛС, направляются на цель. РПРМУ принимает отраженный сигнал и преобразует его так, что выходное устройство с помощью опорных сигналов извлекает информацию:

наличие цели;

расстояние;

направление;

скорость и т.д.

Этот метод называется активным потому, что предусматривает облучение цели антенной РЛС.

 

 

Активная радиолокация с активным ответом (рис.2).

Такой вид радиолокации предполагает наличие на объекте ответчика или ретранслятора сигнала, который состоит из РПРМУ, предназначенного для приема и усиления прямого сигнала, и РПРДУ, служащего для создания ответного (ретранслированного) сигнала.

 

 

 

Пассивная радиолокация (рис.3)

В этом виде радиолокации сама цель является источником электромагнитного излучения, а РЛС выполняет функции радиоприемного устройства, предназначенного для определения направления на этот источник. Собственное излучение создается нагретыми частями объекта, ионизированной атмосферой, окружающей его, и, наконец, РПРДУ, которое может выходить в состав объекта для решения каких-либо специальных задач.

 

Наиболее распространенным видом радиолокации, является второй, или активная радиолокация с активным ответом, который обладает важным достоинством по сравнению с остальными видами радиолокации- это большая дальность действия. Объясняется это тем, что мощность переизлученного сигнала значительно выше, чем мощность отраженных сигналов. Необходимо сделать оговорку- во втором виде радиолокации мы должны иметь дело со своими объектами.

Для обнаружения «чужих» объектов используется первый вид радиолокации.

Третий вид радиолокации применяется для целей разведки радиоизлучений противника.

2. Методы измерения координат и скорости движения целей. Основные тактико-технические данные радиолокационных станций и их выбор.

Методы измерения дальности

Определение дальности до цели основано на измерении времени запаздывания  принимаемого сигнала относительно зондирующего и возможного только с помощью активных РЭС и РЭС с активным ответом.

В зависимости от параметра сигнала, по которому определяется время запаздывания , различают три метода измерения дальности:

амплитудный;

фазовый;

частотный.

Амплитудный метод измерения Д основан на непосредственном измерении интервала времени между излучением и приемом радиоимпульса с помощью специального измерителя. Амплитудный метод измерения Д называется импульсным (рис. 4).

Одновременно с передатчиком осуществляется запуск измерителя (схемы развертки луча ЭЛТ), начало развертки будет соответствовать нулевой дальности. Схема развертки формирует линейно изменяющееся напряжение, т.о. на экране ЭЛТ образуется светящаяся линия: видеоимпульсы, задержанные относительно момента излучения на время  подаются с выхода приемника на вертикально отклоняющие пластины, и смещают пятно по вертикали, образуя кратковременные выбросы..

Т.к. скорость перемещения рисующего пятна постоянна, то расстояние выброса от начала развертки пропорционально Д и линия развертки может быть проградуирована в единицах дальности (рис.5).

Максимальная однозначно измеряемая дальность определяется периодом повторения импульсов:

Для однозначного измерения Д необходимо, чтобы импульс, отраженный целью на максимальной дальности, приходил бы раньше, чем будет сформирован очередной импульс передатчика:

При работе на одну антенну прием отраженных сигналов возможен только после излучения импульса. Используя импульсный метод, нельзя измерять расстояние от нуля до . При импульсном методе необходимо излучить сигналы с большими пиковыми мощностями.

Достоинство импульсного метода:

простота практической реализации;

возможность использования одной антенны для излучения и приема;

возможность одновременного измерения дальности до нескольких целей.

Фазовый метод основан на сравнении текущих значений фаз излученного и принятого гармонических сигналов:

где:  – текущее значение фазы;

 – принятое значение фазы.

Разность фаз оценивается однозначно в пределах от нуля до 2 П.

Так как время запаздывания равно:

                                             

и зная, что:                          

тогда:                               

Фазовый метод находит применение в системах радионавигации и в импульсно-доплеровских системах для устранения неоднозначности измерения дальности.

При реализации фазового метода применяют два и более модулирующих сигнала, для однозначного отсчета и точности измерения дальности.

Достоинство фазового метода:

возможность измерения малых измерений;

низкая пиковая мощность.

Недостатки:

не обеспечивается раздельное наблюдение двух и более целей;

должно быть две антенны (для излучения и приема).

Частотный метод основан на использовании частотной модуляции непрерывного излучаемого сигнала и сравнении частот принимаемого и излучаемого сигналов.

Частотный метод будет рассмотрен при излучении радиовысотомеров, где требуется измерять дальность до одной цели.