Радары. Радары Усиление антенны радара

Общий принцип работы радара – излучить импульс энергии (электромагнитной волны), дождаться прихода отраженного сигнала и обработать его, выудив нужную информацию.
Отраженный сигнал может нам дать информацию о местоположении объекта т.е. его азимут, высоту, дальность, а так же его скорость и направление движения.
Задачи радара ДПС значительно уже – объект находится в прямой видимости, направление движения известно. Остается только вычислить его скорость.

В то же время методы работы с ним определяют некоторые особенности:
Радар должен быть лёгким и компактным, чтоб оператор мог им пользоваться держа в его руке.
Радар должен иметь встроенные источники питания, экономно потреблять энергию.
Радар должен быть безопасным в применении, т.е излучаемая мощность должна быть предельно минимальна.

Из радиофизики известно, что физические размеры передающих и приемных антенн соизмеряются с длинами волн. Значит радар должен работать на очень коротких волнах (больших частотах), чтоб его антенное устройство, вместе передатчиком, приемником, решающим и отображающим устройством помещалось в руке.
Кроме того, более короткие волны позволяют повысить точность измерений. Действительно – при частоте 100кГц длина волны будет 3км. Это всё равно, как если б метровой рейкой пытаться определить толщину волоса.
Ещё одно ограничение накладывается малыми расстояниями, на которых приходится работать.
Большинство радиолокаторов, применяемых в авиации, на флоте вычисляют расстояние до цели, пересчитывая его из времени запаздывания отраженного сигнала от излученного. Затем несколько замеров расстояния можно пересчитать в скорость.
Передатчики таких РЛС посылают короткий и мощный импульс (длительность 1 микросекунда, мощность 600-1000 кВт), при скорости распространения 300000км\сек он долетит до цели на расстоянии 27км за 90 микросекунд, и ещё столько же ему потребуется, чтоб вернуться назад. Итого – 180 микросекунд соответствуют 27 километрам.

Радару ДПС не нужны такие дикие мощности, но именно короткие дистанции не дают возможности построить радар по вышеприведенной схеме.
Ведь если импульс даже всего 1мкС, это значит, что его длина в пространстве – 300 метров! То есть первые гребни электромагнитной волны достигнут цели на расстоянии 140 метров, отразятся он неё, вернутся в антенну, а там ещё последние (и очень мощные!) гребни того же самого импульса. Измерить такое маленькое расстояние таким методом не удастся. Более того, приемные цепи таких радаров отключаются на короткое время сразу после излучения передающего импульса, чтоб самим не сгореть! Генерировать импульсы радиодиапазона короче 1 микросекунды очень проблематично, так как же тогда измерять короткие расстояния и скорости на малой дистанции?

Физику процесса, положенного в основу построения радара описал австрийский ученый Кристиан Доплер (Christian Doppler) ещё в 1842 году.
Устройства, использующие в свой работе Эффект Доплера , позволяют измерять скорость предметов на расстоянии от нескольких метров до сотен и тысяч световых лет.
Радары ДПС работают на частотах:
10,500 - 10,550 ГГц (Х-диапазон),
24,050 - 24,250 ГГц (К-диапазон),
33,400 - 36,000 ГГц (Ка - широкий диапазон)
что соответствует длинам волн 28, 12 и 9 сантиметров соответственно.
На таких высоких частотах резонансные цепи уже не катушки и конденсаторы, как в приемниках радиовещательного диапазона, а отрезки волноводов (трубки круглого или прямоугольного сечения).
Первое условие – небольшие размеры – уже легко выполняются. Даже на самой низкой частоте четверть длины волны всего 7 см, а волновод, длиной четверть волны, закороченный (впаяна перегородка) с одного конца является эквивалентом настроеного параллельного колебательного контура.
Как и любой другой радиолокатор, радар ДПС состоит из приемника и передатчика.
В качестве передатчика чаще всего используется генератор на диоде Ганна.
Таким образом выполняются ещё два условия – небольшая (минимально достаточная) мощность излучения и низкое энергопотребление.
Приемная часть состоит из смесителя, усилителя, блока обработки (вычислителя) и отображающего устройства.
Обратите внимание, в самом радаре нет никаких “супергетеродинов”, принятый отраженный сигал сразу же смешивается с эталонным, выделяется разностная частота (которая и есть функция скорости, “доплеровская частота”), затем она усиливается и обрабатывается. На выходное устройство выводится измеренная скорость.
Передатчики радара ДПС могут излучать длинные посылки, короткие импульсы, короткие импульсы в определённой последовательности, но, поскольку они все излучают, значит все могут быть перехвачены (запеленгованы), нужно только соответствующее устройство – радар-детектор .
С другой стороны – методы работы с радаром могут свести к нулю все ухищрения производителей радар-детекторов и недисциплинированых водителей. Действительно, если «молчащий» до поры ПР вдруг «выстрелит» прямо в нарушителя, раздавшийся из предупреждающего устройства сигнал уже не спасёт от штрафа.
Кроме носимых, существуют и стационарные радары. Их сигналы уверенно определяются всеми радар-детекторами, но не всегда это требуется. Если в России, где разрешено пользование радар-детекторов, местоположение стационарных радаров всячески шифруется (официально не объявляется), то например в Литве (где пользование радар-детекторами запрещено) на сайте дорожной полиции обозначены все стационарные посты, их координаты постоянно обновляются в картах навигаторов, а на дорогах перед ними (метров за 200-300) стоят специальные предупреждающие знаки.
Иногда для острастки торопливых стационарно ставятся у дорог имитаторы радаров. Это простейшие устройства, генераторы сигналов диапазона радара. Простейшие потому, что нет в них сложной системы определения скорости, их задача – заставить сработать радар-детектор и хоть на короткое время остудить пыл «гонщика». Три-четыре таких шумелки подряд притупят бдительность, а пятым может оказаться реальный.
Кроме радаров, работающих в диапазонах радиоволн, в настоящее время всё чаще используются лазерные измерители скорости, т.н. ЛИДАР’ы (от английского - LIght Distance And Ranging).
Эти приборы излучают сфокусированный луч инфракрасного диапазона (ах это модное слово «нано», длина волны – нанометры, длительность импульса -наносекунды) короткими импульсами и измеряют расстояние, как «большие» радары, по разнице времени между переданным и принятым импульсом. Несколько измерений расстояния подряд дают возможность вычислить скорость.
Работа ЛИДАРа пеленгуется ещё проще, чем ПР радиоволнового диапазона, приемники обнаружения не сложнее тех, что стоят во всех телевизорах для приёма сигналов пультов дистанционного управления и встраиваются теперь почти во все радар-детекторы.
Но смысла определять работу полицейского ЛИДАРА нет никакого. Если ваш прибор просигнализировал – значит ваша скорость уже измерена, или вы просто проехали мимо автоматических дверей супермаркета или бензозаправки.

В некоторых странах на дорогах с интенсивным движением с нарушителями скоростного режима борются ещё проще – современная техника позволяет фиксировать все автомобили при въезде на трассу и выезде с неё. «Чемпионы», проскочившие мерный участок быстрее положенного времени получают по почте уведомление о необходимости заплатить штраф.

Наиболее распространенные модели радаров российской ДПС

РАДИС, производства компании Симикон, Санкт-Петербург.

Диапазон измеряемых скоростей 10 - 300 км/час
Время измерения скорости < 0.3 сек

Искра-1, производства компании Симикон, Санкт-Петербург.
Рабочая частота 24.15 + 0,1 ГГц (К-диапазон)
Дальность измерений, не менее 300, 500, 800 м (три уровня)
Диапазон измеряемых скоростей 30 - 210 км/час
Время измерения скорости 0.3 - 1.0 сек

Радар

Радиолокационная станция (РЛС) или рада́р (англ. radar от Radio Detection and Ranging - радиообнаружение и дальнометрия) - система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности и геометрических параметров. Использует метод, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от объектов. Английский термин-акроним появился в г., впоследствии в его написании прописные буквы были заменены строчными.

История

3 января 1934 года в СССР был успешно проведён эксперимент по обнаружению самолёта радиолокационным методом. Самолёт, летящий на высоте 150 метров был обнаружен на дальности 600 метров от радарной установки. Эксперимент был организован представителями Ленинградского Института Электротехники и Центральной Радиолаборатории. В 1934 году маршал Тухачевский в письме правительству СССР написал: «Опыты по обнаружению самолётов с помощью электромагнитного луча подтвердили правильность положенного в основу принципа». Первая опытная установка «Рапид» была опробована в том же же году , в 1936 году советская сантиметровая радиолокационная станция «Буря» засекала самолёт с расстояния 10 километров . В США первый контракт военных с промышленностью был заключён в 1939 году. В 1946 году американские специалисты - Реймонд и Хачертон, бывший сотрудник посольства США в Москве, написали: «Советские учёные успешно разработали теорию радара за несколько лет до того, как радар был изобретён в Англии».

Классификация радаров

По предназначению радиолокационные станции можно классифицировать следующим образом:

• РЛС обнаружения;
• РЛС управления и слежения;
• Панорамные РЛС;
• РЛС бокового обзора;
• Метеорологические РЛС.

По сфере применения различают военные и гражданские РЛС.

По характеру носителя:

• Наземные РЛС
• Морские РЛС
• Бортовые РЛС

По типу действия

• Первичные или пассивные
• Вторичные или активные
• Совмещённые

По диапазону волн:

• Метровые
• Сантиметровые
• Миллиметровые

Устройство и принцип действия Первичного радиолокатора

Первичный (пассивный) радиолокатор, в основном, служит для обнаружения целей, освещая их электромагнитной волной и затем принимая отражения (эхо) этой волны от цели. Поскольку скорость электромагнитных волн постоянна (скорость света), становится возможным определить расстояние до цели, основываясь на измерении времени распространения сигнала.

В основе устройства радиолокационной станции лежат три компонента: передатчик , антенна и приёмник .

Передающее устройство является источником электромагнитного сигнала высокой мощности. Он может представлять из себя мощный импульсный генератор. Для импульсных РЛС сантиметрового диапазона - обычно магнетрон или импульсный генератор работающий по схеме: задающий генератор - мощный усилитель, использующий в качестве генератора чаще всего лампу бегущей волны , а для РЛС метрового диапазона, часто используют - триодную лампу. В зависимости от конструкции, передатчик работает либо в импульсном режиме, формируя повторяющиеся короткие мощные электромагнитные импульсы, либо излучает непрерывный электромагнитный сигнал.

Антенна выполняет фокусировку сигнала приёмника и формирование диаграммы направленности , а также приём отражённого от цели сигнала и передачу этого сигнала в приёмник. В зависимости от реализации приём отражённого сигнала может осуществляться либо той же самой антенной, либо другой, которая иногда может располагаться на значительном расстоянии от передающего устройства. В случае, если передача и приём совмещены в одной антенне, эти два действия выполняются поочерёдно, а чтобы мощный сигнал, просачивающийся от передающего передатчика в приёмник не ослепил приёмник слабого эха, перед приёмником размещают специальное устройство, закрывающее вход приёмника в момент излучения зондирующего сигнала.

Приёмное устройство выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны.

Когерентные РЛС

Когерентный метод радиолокации основан на выделении и анализе разности фаз отправленного и отражённого сигналов, которая возникает из-за эффекта Доплера , когда сигнал отражается от движущегося объекта. При этом передающее устройство может работать как непрерывно, так и в импульсном режиме. Основным преимуществом данного метода является то, что он «позволяет наблюдать только движущиеся объекты, а это исключает помехи от неподвижных предметов, расположенных между приёмной аппаратурой и целью или за ней.»

Импульсные РЛС

Принцип действия импульсного радара

Принцип определения расстояния до объекта с помощью импульсного радара

Современные радары сопровождения построены как импульсные радары. Импульсный радар передаёт только в течение очень краткого времени, короткий импульс обычно приблизительно микросекунда в продолжительности, после чего он слушает эхо, в то время как импульс распространяется.

Поскольку импульс уходит далеко от радара с постоянной скоростью, время прошедшее с момента, когда импульс посылали, ко времени когда эхо получено, - ясная мера прямого расстояния до цели. Следующий импульс можно послать только через некоторое время, а именно после того как импульс придёт обратно, это зависит от дальности обнаружения радара (данным мощностью передатчика, усилением антенны и чувствительностью приёмника). Если бы импульс посылали раньше, то эхо предыдущего импульса от отдалённой цели могло бы быть перепутано с эхом второго импульса от близкой цели.

Промежуток времени между импульсами называют интервалом повторения импульса , обратная к нему величина - важный параметр, который называют частотой повторения импульса (ЧПИ) . Радары низкой частоты дальнего обзора, обычно имеют интервал повторения в несколько сотен импульсов в секунду (или Герц [Гц]). Частота повторения импульсов является одним из отличительных признаков, по которым возможно дистанционное определение модели РЛС.

Устранение пассивных помех

Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов: земной поверхности, высоких холмов и т. п. Если к примеру, самолёт находится на фоне высокого холма, отражённый сигнал от этого холма полностью перекроет сигнал от самолёта. Для наземных РЛС эта проблема проявляется при работе с низколетящими объектами. Для бортовых импульсных РЛС она выражается в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолёта с радиолокатором.

Методы устранения помех используют, так или иначе, эффект Доплера (частота волны, отражённой от приближающегося объекта, увеличивается, от уходящего объекта - уменьшается).

Самый простой радар, который может обнаружить цель в помехах - радар с селекцией движущихся целей (СДЦ) - импульсный радар, который сравнивает отражения более чем от двух или больше интервалов повторения импульса. Любая цель, которая, движется относительно радара, производит изменение в параметре сигнала (стадия в последовательном СДЦ), тогда как помехи остаются неизменными. Устранение помех происходит путём вычитания отражений из двух последовательных интервалов. На практике устранение помех может быть осуществлено в специальных устройствах - черезпериодных компенсаторах или алгоритмами в программном обеспечении.

СДЦ, работающие с постоянной частотой повторения импульсов, имеют фундаментальную слабость: они являются слепыми к целям со специфическими круговыми скоростями (которые производят изменения фаз точно в 360 градусов), и такие цели не отображаются. Скорость, при которой цель исчезает для радиолокатора, зависит от рабочей частоты станции и от частоты повторения импульсов. Современные СДЦ излучают несколько импульсов с различной частоты повторения - такой, что невидимые скорости в каждой частоте повторения импульсов охвачены другими ЧПИ.

Другой способ избавления от помех реализован в импульсно-доплеровских РЛС , которые используют существенно более сложную обработку чем РЛС с СДЦ.

Важное свойство импульсно-доплеровских РЛС - это когерентность сигнала. Это значит, что посланные сигналы и отражения должны иметь определённую фазовую зависимость.

Импульсно-доплеровские РЛС обычно считаются лучше РЛС с СДЦ при обнаружении низколетящих целей во множественных помехах земли, это - предпочтительная техника, используемая в современном истребителе, для воздушного перехвата/управления огнём, примеры тому AN/APG-63, 65, 66, 67 и 70 радары. В современном доплеровском радаре большинство обработки выполняется отдельным процессором в цифровом виде с помощью цифровых сигнальных процессоров , обычно используя высокопроизводительный алгоритм Быстрое преобразование Фурье для преобразования цифровых данных образцов отражений кое во что более управляемое другими алгоритмами. Цифровые обработчики сигналов очень гибки и используемые алгоритмы могут обычно быстро заменяться другими, заменяя только память (ПЗУ) чипы, таким образом быстро противодействуя техники глушения противника если необходимо.

Устройство и принцип действия Вторичного радиолокатора

Принцип действия вторичного радиолокатора несколько отличается, от принципа Первичной радиолокации. В основе устройства Вторичной радиолокационной станции лежат компоненты: передатчик , антенна , генераторы азимутальных меток, приёмник , сигнальный процессор , индикатор и самолётный ответчик с антенной .

Передатчик . Служит для излучения импульсов запроса в антенну на частоте 1030 МГц

Антенна . Служит для излучения и приёма отражённого сигнала. По стандартам ICAO для вторичной радиолокации, антенна излучает на частоте 1030МГц, и принимает на частоте 1090 МГц.

Генераторы Азимутальных меток . Служат для генерации Азимутальных меток (Azimuth Change Pulse или ACP) и генерации Метки Севера (Azimuth Reference Pulse или ARP). За один оборот антенны РЛС генерируется 4096 малых азимутальных меток(для старых систем), или 16384 Малых азимутальных меток (для новых систем), их ещё называет улучшенные малые азимутальные метки (Improved Azimuth Change pulse или IACP), а также одну метку Севера. Метка севера приходит с генератора азимутальных меток, при таком положении антенны, когда она направлена на Север, а малые азимутальные метки служат для отсчёта угла разворота антенны.

Приёмник . Служит для приёма импульсов на частоте 1090 МГц

Сигнальный процессор . Служит для обработки принятых сигналов

Индикатор Служит для индикации обработанной информации

Самолётный ответчик с антенной Служит для передачи импульсного радиосигнала, содержащего дополнительную информацию, обратно в сторону РЛС при получении радиосигнала запроса.

Принцип Действия Принцип действия вторичного радиолокатора заключается в использовании энергии самолётного ответчика, для определения положения Воздушного судна. РЛС облучает окружающее пространства запросными импульсами на частоте P1 и P3, а также импульсом подавления P2 на частоте 1030 МГц. Воздушные суда оборудованные ответчиками находящиеся в зоне действия луча запроса при получении запросных импульсов, если действует условие P1,P3>P2 отвечают запросившей РЛС, Серией кодированных импульсов на частоте 1090 МГц, в которых содержится дополнительная информация типа Номер борта, Высота и так далее. Ответ самолётного ответчика зависит от режима запроса РЛС, а режим запроса определяется растоянием между запросными импульсами P1 и P3 например в режиме запроса А (mode A), расстояние между запросными импульсами станции P1 и P3 равно 8 микросекунд, и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свой номер борта. В режиме запроса C (mode C) расстояние между запросными импульсами станции равно 21 микросекунде и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свою высоту. Также РЛС может посылать запрос в смешанном режиме, например Режим А, Режим С, Режим А, Режим С. Азимут Воздушного судна определяется, углом поворота антенны, который в свою очередь определяется путём подсчёта Малых Азимутальных меток. Дальность определяется, по задержке пришедшего ответа Если Воздушное судно не лежит в зоне действия основного луча, а лежит в зоне действия боковых лепестков, или находится сзади антенны, то ответчик Воздушного судна при получении запроса от РЛС, получит на своём входе условие, что импульсы P1,P3

Плюсы вторичной РЛС, более высокая точность, дополнительная информация о Воздушном Судне (Номер борта, Высота), а также малое по сравнению с Первичными РЛС излучение.

Что такое радар?

Радар представляет собой систему обнаружения объектов, которая использует радиоволны, чтобы определить удаление, угол или скорость объектов. Он может быть использован для обнаружения самолетов, кораблей, космических аппаратов, управляемых ракет, автотранспортных средств, погодных образований и рельефа местности. Система РЛС состоит из передатчика испускающего электромагнитные волны в радио - или микроволновом диапазоне, передающей антенны, приемной антенны (часто используется одна и та же антенна для передачи и приема) и приемник с процессором для определения свойств объекта (ов). Радиоволны (импульсного или непрерывного действия) передатчика отражается от объекта и возвращаясь к приемнику, приносят информацию о местоположении и скорости объекта.

Радар разрабатывался в режиме секретности для военного использования несколькими странами в период, до и во время Второй мировой войны. Термин RADAR был придуман в 1940 году ВМС Соединенных Штатов как акроним для радиолокации или радиопеленгации и с тех пор вошел в английский и другие языки как общее существительное.

Современные виды использования РЛС (радиолокационных станций, радаров) весьма разнообразны. Сюда входят воздушное и наземное управления движением, радиолокационная астрономия, системы ПВО, противоракетные системы, морские радары для определения местонахождения и судов, системы предотвращения столкновений воздушных судов, системы наблюдения за океаном, наблюдения за космосом и системы сближения и стыковки, мониторинг метеорологических осадков, альтиметрические системы и системы управления полетом, системы наведения ракет на цели, георадар для геологических наблюдений, а также радар для медицинских исследований и наблюдений. Высокотехнологичные радиолокационные системы связаны с цифровой обработкой сигнала, машинным обучением и способны извлекать полезную информацию из сигналов с очень высокими уровнями шума.

Другие системы, аналогичные радару, используют другие области электромагнитного спектра. Одним из примеров является "лидар", который использует ультрафиолетовую, видимую или ближнюю инфракрасную области света лазерного излучения, а не радиоволн.

История изобретения радара

Уже в 1886 году, немецкий физик Генрих Герц показал, что радиоволны могут отражаться от твердых предметов. В 1895 году Александр Попов, преподаватель физики в Императорской школе ВМФ России в Кронштадте, разработал аппарат, использующий трубку когерера для обнаружения удаленных ударов молнии. В следующем году, он добавил к устройству искровой передатчик. В 1897 году, во время тестирования этого оборудования для осуществления связи между двумя судами в Балтийском море, он обнаружил интерференционные биения, вызванные прохождением третьего судна. В своем докладе, Попов писал, что это явление может быть использовано для обнаружения объектов, но он практически больше никак не использовал это наблюдение.

Немецкий изобретатель Христиан Хулсмайер был первым, кто использовал радиоволны для обнаружения "присутствия удаленных металлических предметов". В 1904 году он продемонстрировал возможность обнаружения судна в плотном тумане, но не расстояние до него от передатчика. Он получил патент на свое устройство обнаружения в апреле 1904 года, а затем патент на усовершенствование для оценки расстояния до корабля. Кроме того, он получил британский патент 23 сентября 1904 года на полную радиолокационную систему, которую он назвал telemobiloscope. Он работал на длине волны 50 см. и импульсный сигнал радара создавался при помощи искрового зазора (spark-gap). В его системе уже использовалась классическая антенная конструкция в виде рупорной антенны с параболическим отражателем и она была представлена ​​немецкими военными чиновниками в ходе практических испытаний в Кельне и Роттердамской гавани, но была отвергнута.

В 1922 году А. Хойт Тейлор и Лео К. Янг - исследователи, работавшие с ВМС США, испытали передатчик и приемник, расположенные на противоположных сторонах реки Потомак и обнаружили, что корабль, пересекавший траекторию радиолуча вызывал пропадание и появление снова принимаемого сигнала. Тейлор представил доклад, в котором предположил, что это явление может быть использовано для обнаружения присутствия кораблей в условиях плохой видимости, но флот не сразу принял решение продолжать исследования. Восемь лет спустя, Лоуренс А. Хайленд в Морской исследовательской лаборатории (NRL - Naval Research Laboratory) наблюдал подобные эффекты замирания от пролетающего воздушного судна, сделав заявку на патент, а также получив предложение на серьезные исследования в NRL (Тейлор и Янг к тому времени уже работали в этой лаборатории) в области эхо-радиосигналов движущихся целей.

В течение 1920 года научно-исследовательские учреждения Великобритании добились многих достижений с использованием радиосвязи, в том числе в области зондирования ионосферы и обнаружения молний на больших расстояниях. Уотсон-Уотт стал экспертом по использованию радиопеленгации, частично входящей в серию его экспериментов по обнаружению молний. В рамках продолжающихся экспериментов, он попросил "новичка", Арнольда Фредерика Уилкинса найти приемник, подходящий для использования с коротковолновыми передатчиками. Уилкинс сделал обширное исследование имеющихся устройств, прежде чем выбрал модель приемника Министерства связи (GPO). В его руководстве по эксплуатации отмечалось, что при полете самолета происходит "замирание" (общий термин в то время для обозначения интерференции).

Перед началом Второй мировой войны, исследователи во Франции, Германии, Италии, Японии, Нидерландах, Советском Союзе, Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах, независимо друг от друга и в большой тайне, развивали технологии, которые привели к современной версии радара. Австралия, Канада, Новая Зеландия и Южная Африка последовали довоенным разработкам Великобритании, а в Венгрии подобные разработки велись во время войны.

В 1934 году во Франции после систематических исследований магнетрона с разрезным анодом, научно-исследовательский филиал Компании "Ведущая беспроволочная телеграфия"(CSF - La Compagnie Generate de Telegraph Sans Fil), возглавляемый Морисом Понте и при участии Анри Гюттона, Сильвена Берлине и М. Югона, начал разрабатывать радиоаппаратуру для обнаружения препятствий, часть которой была установлена ​​на лайнере" Нормандия" в 1935 году.

В это же время, советский военный инженер П. К. Ощепков, в сотрудничестве с Ленинградским электрофизическим институтом, разработал экспериментальный аппарат «Рапид», способный обнаруживать воздушное судно в пределах 3 км от приемника. Советский союз создал своё первое массовое производство радиолокационных станций РУС-1 "Ревень" и РУС-2 "Редут" в 1939 году, но дальнейшее развитие замедлилось по причине ареста НКВД Ощепкова и его отправки в ГУЛАГ. В общей сложности только 607 образцов станции "Редут" было произведено во время войны. Первое в России авиарадиолокационное оборудование, Гнейс-2, введенное в эксплуатацию в июне 1943 года на истребителях Пе-2. Более 230 образцов станций Гнейс-2 было произведено в конце 1944 года. Французские и советские системы, однако, были разработаны на основе работы непрерывной волны и не могли достичь тех эксплуатационных качеств, которые были в конечном счете достигнуты современными радарами.

Когда появились первые радары?

Полноценный радар развивался как импульсная система и первый такой элементарный аппарат был продемонстрирован в декабре 1934 года американцем Робертом М. Пейджем, работавшим в Военно-морской научно-исследовательской лаборатории. В следующем году армия Соединенных Штатов успешно испытала примитивный радар "земля-вода" для наведения на цель прожекторов береговых батарей в ночное время. За этим последовала импульсная система, продемонстрированная в мае 1935 года Рудольфом Кюнхольдом и фирмой GEMA (рус. Общество электроакустических и механические устройств)в Германии, и ещё одна, продемонстрированная в июне 1935 года группой специалистов министерства авиации во главе с Робертом А. Уотсоном-Уаттом в Великобритании. Разработка радара значительно расширилась с 1 сентября 1936 года, когда Уотсон-Уатт стал суперинтендантом нового учреждения под управлением британского Министерства Авиации, - научно-исследовательской станции Бадси, расположенной в поместье Бадси, недалеко от Феликстоу, Суффолк. Результатом работы здесь стало проектирование и монтаж систем обнаружения воздушных судов и станции слежения под названием "Chain Home" вдоль берегов Восточной и Южной Англии во время начала Второй мировой войны в 1939 году. Эта система обеспечила жизненно важную предварительную информацию, которая помогла Королевским Военно-воздушным силам выиграть Битву за Британию.

В 1935 году Уотту было предложено вынести заключение о последних сообщениях об обладании Германией "луча смерти" на основе радиоизлучения, он передал этот запрос Уилкинсу. Уилкинс произвел множество расчетов, демонстрирующих невозможность создания такой системы в принципе. Когда Уотт спросил, что же тогда они могли сделать, Уилкинс напомнил о появившемся ранее сообщении о радиопомехах, вызываемых пролетавшими поблизости воздушными судами. Это привело к проведению эксперимента Девентри 26 февраля 1935 года. Используя мощный коротковолновой передатчик BBC (би-би-си) в качестве источника и приемник Министерства связи (GPO), расположенный в поле, в то время, как бомбардировщик пролетал вокруг участка. Когда польза от разработки стала очевидной, средства были немедленно выделены на разработку действующей системы. Команда Уатта получила на это устройство патент за номером GB593017.

Получив всю необходимую финансовую и техническую поддержку, команда разработала радиолокационные системы в 1935 году и начала их развертывание. К 1936 году, первые пять систем Chain Home (CH) функционировали, и к 1940 году они были развернуты по всей Великобритании, включая Северную Ирландию. Даже по меркам той эпохи, CH была сырой; вместо того, чтобы излучать и принимать сигнал направленной антенной, система CH передавала сигнал, охватывающий всю площадь перед ней, а затем использовался один из собственных радиопеленгаторов Уатта, чтобы определить направление возвращенных эхо-сигналов. Это означало, что передатчики CH должны были быть гораздо более мощными и иметь лучшие антенны, чем конкурирующие системы, но это делало возможным её быстрое внедрение с использованием существующих технологий.

В апрельском номере 1940 года журнала"Популярная наука" был приведен пример радиолокационного устройства на основе патента Уотсона-Уотта в статье о противовоздушной обороне. Кроме того, в конце 1941 года в "Популярной механике" была статья, в которой американский ученый размышлял о британской системе раннего предупреждения, развернутой на английском восточном побережье, и приблизился в рассуждениях к тому, как она устроена и работает. Альфред Ли Лумис организовал лабораторию по изучению радиоизлучений в Кембридже, штат Массачусетс, которая разрабатывала эти технологии в 1941-45 годы. Позже, в 1943 году, Пейдж значительно улучшил радар с моноимпульсным режимом, который использовался в дальнейшем в течение многих лет в большинстве радаров.

Война ускорила исследования в области поиска лучшего разрешения, большей мобильности и больших возможностей для радаров, в том числе дополнительных навигационных систем, таких как "Гобой", используемого эскадрилью "Следопыт" (Pathfinder) Королевских ВВС.

Для чего используют радар?

Информация, представляемая РЛС, включает в себя азимут и дальность (и, следовательно, положение) объекта относительно сканера радара. Таким образом, он используется во многих различных областях, где необходимость такого позиционирования имеет решающее значение. Изначально радар использовался в военных целях: для обнаружения воздушных, наземных и морских целей. Это применение эволюционировало в гражданскую область применения в авиации, судоходстве и наземном транспорте.

В авиации, самолеты оснащены радиолокационными устройствами, предупреждающими о воздушных судах или других препятствиях, находящихся на или приближающихся к курсу самолета, отображающими информацию о погоде, и предоставляющие точные данные о высоте над уровнем моря. Первым коммерческим устройством, установленным на борту воздушного судна, стала разработка лаборатории Белла 1938 года, установленная на некоторых самолетах компании United Air Lines . Такие самолеты могут приземляться в туман в аэропортах, оснащенных радиолокационным помощником наземных управляемых систем захода на посадку, в котором полет самолета наблюдается на экранах радаров во время передачи радистами посадочных направлений пилоту.

Морские радары используются для измерения азимута и расстояния до кораблей, чтобы предотвратить столкновения с другими судами, для навигации, и фиксации их положения в море, когда они находятся в пределах досягаемости от берега или других фиксированных ориентиров, таких как острова, буи и плавучие маяки. В порту или в гавани, радиолокационные системы обслуживания движения судов используются для контроля и управления движением судов в оживленных водах.

Метеорологи используют радар для мониторинга атмосферных осадков и ветра. Он стал основным инструментом для краткосрочного прогнозирования погоды и наблюдений за жесткими погодными явлениями, такими как грозы, торнадо, зимние штормы, видами осадков и т.д. Геологи используют специализированные, проникающие в недра земли, радары при создании карты состава земной коры. Полицейские используют радары для контроля скорости транспортных средств на дорогах. Меньшие радарные системы используются для обнаружения движения человека. Например, выявление форм дыхания для мониторинга сна и обнаружение жестов рук и пальцев для взаимодействия с компьютером.

Принцип действия радара

Передатчик радара

Радарная система имеет передатчик, который излучает радиоволны, называемые радарными сигналами в заданных направлениях. Когда они вступают в контакт с объектом, они, как правило, отражаются или рассеиваются во многих направлениях. Радарные сигналы отражаются особенно хорошо от материалов со значительной электропроводностью, особенно большинством металлов, морской водой и мокрой землей. Некоторые из них делают возможным использование радиолокационных высотомеров. Радарные сигналы, которые отражаются обратно к передатчику являются полезными (информативными), и они выполняют радиолокационную работу. Если объект движется в сторону передатчика или от него, появляется слабое соответствующее изменение частоты отраженных этим объектом радиоволн, вызванное эффектом Доплера.

Радиолокационные приемники, как правило, но не всегда, расположены в том же самом месте, что и передатчик. Несмотря на то, что отраженные сигналы, пойманные приемной антенной, как правило, очень слабые, они могут быть усилены с помощью электронных усилителей. Более сложные методы обработки сигналов также используются для того, чтобы восстановить полезные сигналы радара.

Слабое поглощение радиоволн средой, через которую они проходят, позволяет РЛС обнаруживать объекты на относительно больших расстояниях - диапазонах, на которых другие электромагнитные волны, такие как видимый свет, инфракрасный свет и ультрафиолетовый свет, слишком сильно ослабляются. Такие погодные явления, как туман, облака, дождь, падающий и мокрый снег, которые блокируют видимый свет, как правило, прозрачны для радиоволн. Некоторые радиочастоты, которые поглощаются или рассеиваются водяным паром, каплями дождя или атмосферными газами (особенно кислородом), пытаются не использовать при проектировании радиолокационных станций, кроме случаев, когда РЛС предназначена для их обнаружения.

Освещение от радиоволн

Радар полагается на собственное радиоизлучение, а не на свет от Солнца или Луны, и не на электромагнитные волны, излучаемые самими объектами, такие как инфракрасные волны (тепло). Этот процесс направления искусственных радиоволн в сторону объектов называется освещением, хотя радиоволны невидимы для человеческого глаза или оптических камер.

Отражение радиоволн

Если электромагнитные волны, проходящие через один материал, встречают другой материал, имеющий отличную от первого диэлектрическую проницаемость или магнитную проницаемость, то волны будут отражаться или рассеиваться от границы между материалами. Это означает, что твердое тело в воздухе или в вакууме, или при существенном различии атомной плотности между телом и той средой, что вокруг него, как правило, рассеивает радиоволны радар от своей поверхности. Это особенно верно для электропроводных материалов, таких как металл и углеродное волокно, что делает радиолокатор подходящим для обнаружения воздушных и морских судов. Радиопоглощающий материал, содержащий резистивные, а иногда и магнитные вещества, используется в военных транспортных средствах, чтобы уменьшить радиолокационное отражение. Эта способность является радиоэквивалентом неспособности в живописи увидеть глазами что-то имеющее темный цвет в ночное время.

Радиолокационные волны рассеиваются в различных направлениях, в зависимости от размера (длины волны) радиоволны и формы цели. Если длина волны значительно меньше, чем размер цели, волна будет отражаться по аналогии с тем, как свет отражается зеркалом. Если длина волны намного больше, чем размер цели, цель не может быть обнаружена из-за плохого отражения. Низкочастотные радарные технологии используют резонансы для обнаружения, а не для идентификации целей. Этот процесс объясняется рассеянием Рэлея, - эффектом, который создает голубое небо Земли и красные закаты. Когда две длины волны сравнимы, то могут возникать резонансы. Ранние радары использовали очень длинные длины волн, которые были больше, чем цели и, таким образом, получали смутный сигнал, в то время, как некоторые современные системы используют более короткие длины волн (в несколько сантиметров или меньше), которые могут отобразить объекты такие малые, как буханка хлеба.

Короткие радиоволны отражаются от кривых и углов подобно бликам от округленной части стакана. Наиболее светоотражающие мишени для коротких длин волн имеют прямые углы между отражающими поверхностями. Угловой отражатель состоит из трех плоских поверхностей, сходящихся как внутренний угол ящика. Эта структура будет отражать волны, входящие в её раскрытую часть, непосредственно обратно к источнику. Её обычно используют в качестве радиолокационных отражателей, чтобы сделать труднообнаруживаемые объекты более легкими для обнаружения. Угловые отражатели на лодках, например, позволяют их обнаружить, чтобы избежать столкновения или во время спасательной операции. По тем же причинам, объекты, которые должны избегать обнаружения, не будут иметь внутренних углов или поверхностей и краев, перпендикулярных к возможным направлениям обнаружения, поэтому они выглядят "необычно" как самолет стелс. Эти меры предосторожности не полностью устраняют отражения по причине дифракции, особенно на более длинных волнах. Отрезки проволоки или полосы проводящего материала, имеющие размер в половину длины волны, такие как дипольные отражатели, легко отражают, но не направляют рассеянную ими энергию обратно к источнику. Степень отражения или рассеивания объектом радиоволн называется его эффективной площадью рассеяния (ЭПР - от англ. Radar cross-section (RCS).

Уравнение дальности радара

Мощность принимаемого отклика радиосигнала Pr задаётся уравнением:

Pt - мощность передатчика

Gt - коэффициент усиления передающей антенны

Ar - эффективная площадь (апертура) приемной антенны; Она также может быть выражена как , где

λ - длина волны

Gr - коэффициент усиления приемной антенны

σ - эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе

F - коэффициент потерь при распространении сигнала

Rt - расстояние от передатчика до цели

Rr - расстояние от цели до приемника.

В общем случае, когда передатчик и приемник расположены в одном и в том же месте, Rt = Rr и выражение Rt² Rr² может быть заменено на R^4, где R является расстоянием до цели. Это дает:

Это показывает, что мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до цели, что означает, что мощность сигнала, отраженного от удаленных объектов, относительно слаба.

Дополнительная фильтрация и интегрирование импульса слегка модифицирует уравнение радара для характеристик импульсного доплеровского радиолокатора, который может использоваться для увеличения дальности обнаружения и уменьшения мощности передатчика.

Представленное выше уравнение с F = 1 является упрощением для передачи в вакууме без помех. Коэффициент распространения учитывает эффекты многолучевого распространения и затенения и зависит от деталей среды. В реальной ситуации, эффекты затухания при распространении также должны учитываться.

Эффект доплера в радарах

Сдвиг частоты вызывается движением, которое изменяет число длин волн между отражателем и радаром. Это может ухудшать или улучшать эксплуатационные качества радара в зависимости от воздействия на процесс обнаружения. В качестве примера, индикация перемещения цели может подвергаться воздействию эффекта Доплера, которое может производить гашение сигнала при определенных радиальных скоростях, что ухудшает эффективность радара.

Морские радиолокационные системы, полуактивные радиолокационные системы наведения, активные радиолокационные системы наведения, погодный радар, РЛС военных самолетов, а также радиолокационная астрономия используют эффект Доплера для повышения производительности. Это позволяет получать информацию о скорости цели в процессе обнаружения. Это также позволяет обнаруживать небольшие объекты в среде, содержащей поблизости гораздо большие, но медленно движущиеся объекты.

Доплеровский сдвиг зависит от того, активной или пассивной является конфигурация радара. Активный радар передает сигнал, который отражается обратно к приемнику. Пассивный радар зависит от объекта, посылающего сигнал на приемник.

Доплеровский сдвиг частоты для активного радара выглядит следующим образом:

Fd - доплеровская частота,

Ft - частота передаваемого сигнала,

Vr - радиальная скорость,

C -скорость света

Пассивный радар применяется в системах радиоэлектронного подавления и радиоастрономии следующим образом:

Только радиальная составляющая скорости является актуальной. Когда отражающая цель движется под прямым углом к ​​лучу локатора, она не имеет радиальной скорости относительно приемника. Транспортные средства и погодные явления, движущиеся параллельно радиолокационному лучу, создают максимальный доплеровский сдвиг частоты.

Когда происходит передача сигнала с частотой (Ft) импульсами, повторяющимися с частотой (Fr), результирующий частотный спектр будет содержать гармоники с частотами выше и ниже (Ft) на значение (Fr).

В результате чего, измерение Доплеровского смещения частоты только тогда является однозначным, если доплеровский сдвиг частоты меньше половины частоты (Fr), называемой частотой Найквиста, так как в противном случае частоту возвращаемого сигнала нельзя отличить от сдвига, вызванного частотой дискретизации сигнала, таким образом, требуется, чтобы:

Или при замене (Fd):

В качестве примера, погодный доплеровский радар с частотой следования 2 кГц импульсов несущей частоты 1 ГГц может надежно измерить скорость перемещения погодных явлений максимум до 150 м/с (340 миль в час), таким образом, он не может надежно определить радиальную скорость самолета, летящего со скоростью 1000 м/с (2 200 миль / ч).

Поляризация радиоволн

Во всякой электромагнитной волне электрическое поле перпендикулярно направлению распространения волны и направление колебания вектора электрического поля называется поляризацией волны. Управляя поляризацией передаваемого сигнала радара, можно получать различные эффекты. Радары используют горизонтальную, вертикальную, линейную и круговую поляризацию для обнаружения различных типов отражающих сигнал объектов. Например, круговая поляризация используется, чтобы минимизировать помехи, вызванные дождем. Линейная поляризация отраженного сигнала обычно указывают на его отражение от металлических поверхностей. Поляризация случайного характера отраженного сигнала обычно указывает на фрактальные поверхности, такие как камни или почвы, это используется в навигационных РЛС.

Радиоволны и их распространение

Диапазон радиоволн

Излучение радара должно следовать по линейной траектории в вакууме, но в атмосфере оно распространяется по несколько изогнутой траектории из-за изменения показателя преломления воздуха, и это определяет радиолокационный горизонт. Даже когда волна излучается параллельно земле, она поднимется над её поверхностью за горизонтом в следствие кривизны Земли. Кроме того, сигнал ослабляется средой, через которую он проходит, и излучение рассеивается.

Максимальная дальность обнаружения обычного радара может быть ограничена целым рядом факторов:

• Линия прямой видимости, которая зависит от высоты над уровнем земли. Это означает, что в отсутствие прямой видимости распространение луча блокируется.

• Максимальное однозначно определенное расстояние определяется частотой повторения импульсов. Максимальное однозначно определенное расстояние - это расстояние, которое может пройти импульс до объекта и вернуться к приемнику до начала следующего переданного импульса.

• Чувствительность радара и мощность отраженного сигнала вычисляются уравнением радара. В него включены такие факторы, как условия окружающей среды и размер (эффективная площадь рассеяния) цели.

Шумовой сигнал представляет собой внутренний источник случайных изменений в сигнале, которые генерируются всеми электронными компонентами.

Отраженные сигналы быстро затухают по мере увеличения расстояния, так что шум вводит ограничение на рабочую дальность радара. Минимальный уровень шума и отношение сигнал/шум - два разных показателя, которые влияют на дальность работы. Сигналы, от объектов, находящихся слишком далеко, настолько слабы, что они не превышают уровень шума и поэтому эти дальние объекты не могут быть обнаружены. Для обнаружения требуется сигнал, превышающий уровень шума, по крайней мере на отношение сигнал-шум.

Шум обычно представляет собой случайные изменения, наложенные на полезный эхо-сигнал, принимаемый приемником радара. Чем меньше мощность полезного сигнала, тем сложнее отличать его от шума. Коэффициент шума является мерой шума, производимого приемником по сравнению с идеальным приемником, и он должен быть сведен к минимуму.

Дробовой шум вызывается дискретностью носителей заряда (электронов) и переходом их через неоднородности проводящей среды, имеющие место во всех детекторах. Дробовой шум является доминирующим шумом в большинстве приемников. В них также присутствует фликкер-шум, вызванный транзитом электронов через усилительные устройства, который можно уменьшить с помощью гетеродинного усиления. Еще одной причиной для использования гетеродина является то, что для фиксированной относительной полосы пропускания, мгновенная полоса пропускания увеличивается линейно с ростом частоты. Это позволяет улучшить разрешение по дальности. Единственным заметным исключением гетеродинной обработки (конвертации) в радиолокационных системах является сверхширокополосный радар. Здесь используется одиночный импульс или переходной волновой процесс сходный с используемым в СШП-связи, см. Список СШП каналов.

Шум также генерируется внешними источниками, самым основным из которых является естественное тепловое фоновое излучение, окружающее интересуемую цель. В современных радиолокационных системах, уровень внутреннего шума, как правило, приблизительно равен или находится ниже уровня внешнего шума. Исключением является случай направления радара вверх на ясное небо, где "картинка" является настолько "холодной", что производит очень мало теплового шума. Тепловой шум определяется как kTB, где Т - температура, B - полоса пропускания (после прохождения сигнала через согласующий фильтр) и k - постоянная Больцмана. Существует привлекательная интуитивная интерпретация этого отношения в радаре. Согласующий фильтр позволяет всю энергия, полученную от цели, сжаты в один приемник (будь то диапазонный, доплеровский, высотный или азимутный приемник). При поверхностном рассмотрении казалось бы, что затем в течение фиксированного интервала времени можно было бы получить совершенное, без ошибок, обнаружение. Для этого нужно просто сжимать всю энергию в бесконечно малом временном интервале. Фактором, ограничивающим этот подход в реальном мире, является то, что, время может произвольно делится, а электрический ток - нет. Квантом электрического тока является электрон, и поэтому самое большое, что можно сделать, это сконцентрировать согласованным фильтром всю энергию в одном электроне. Так как движению электрона соответствует определенная температура (планковский спектр излучения), и этот источник шума не может быть ещё больше ослаблен. Итак, мы видим, что радар, как и все объекты макромира, подвержен глубокому влиянию квантовой теории.

Шум является случайным сигналом, а сигналы цели не являются таковыми. В обработке сигналов может использоваться это различие, чтобы уменьшить уровень шума, при этом используются две стратегии. Разные методы интегрирования сигнала, используемые при индикации движущихся целей, могут уменьшить уровень шума в для каждого каскада. Сигнал также может быть разделен между несколькими фильтрами для обработки импульсно-доплеровских сигналов, при этом снижается уровень шума благодаря количеству используемых фильтров. Эти улучшения зависят от согласованности.

Интерференция волн

Радиолокационные системы должны подавлять нежелательные сигналы для того, чтобы сосредоточиться на целях, представляющих интерес. Эти нежелательные сигналы могут исходить от внутренних и внешних источников, как пассивных, так и активных. Способность радиолокационной системы подавлять эти нежелательные сигналы определяет её коэффициент сигнал-шум (SNR). SNR определяется как отношение мощности сигнала к мощности шума в пределах ожидаемого сигнала; он сравнивает уровень желаемого целевого сигнала с уровнем фонового шума (атмосферного шума и шума, генерируемого в приемнике). Чем выше SNR системы, тем лучше она различает фактические цели от шумовых помех.

Под радиолокационной помехой подразумевают радиочастотный (РЧ) сигнал, отраженный от целей, которые неинтересны операторам РЛС. Такие цели включают в себя природные объекты, такие как земля, море, осадки (дождь, снег или град), песчаные бури, животные (особенно птицы), атмосферная турбулентность и другие атмосферные воздействия, такие как ионосферные отражения, метеоры и градовый шип. Помехи также могут возвращаться от искусственных объектов, таких как здания и от преднамеренных антирадарных объектов, таких как дипольные отражатели.

Некоторый вид помех - загромождения, могут также вызваться длинным радиолокационным волноводом между приемопередатчиком РЛС и антенной. В типичном радаре с индикатором радиолокационных отметок (PPI) и вращающейся антенной этот вид помех, как правило, будет наблюдаться в виде "солнца" или "солнечных лучей" (sunburst) в центре дисплея, так как приемник реагирует на отражение сигнала от частиц пыли и ошибочные радиосигналы в волноводе. Подгонкой времени между моментом, когда передатчик посылает импульс и моментом, когда приемник включен, как правило, уменьшают эффект "солнца", не влияя на точность определения дальности, так как большинство "солнечных лучей" вызывается рассеянием передаваемого радиоимпульса, отражаемого ранее, чем он покидает антенну. Загромождения считаются пассивным источником помех, так как они появляются только в ответ на радиолокационные сигналы, посылаемые РЛС.

Обнаружение и нейтрализация помех осуществляется несколькими способами. Нагромождения имеют тенденцию застывать между радарными сканированиями; на последующих эхо-сигналах сканирования, желательные цели будут двигаться, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Помехи от морской поверхности могут быть уменьшены использованием горизонтальной поляризации, в то время как дождь снижается применением круговой поляризации (обратите внимание, что от метеорологических радиолокаторов ожидают противоположного эффекта, и поэтому используют линейную поляризацию для обнаружения осадков). Увеличение отношения сигнал-помеха добиваются другими методами.

Помехи могут перемещаться с ветром или находится в неподвижном состоянии. Используются две общие стратегии для улучшения мер или производительности в помехообразующей среде:

• Индикация движущейся цели, которая интегрирует последовательные импульсы и

• Доплеровская обработка, которая использует фильтры для разделения помех от желаемых сигналов.

Наиболее эффективным методом снижения помех является использование импульсно-доплеровского радиолокатора. Доплеровский радар отделяет помехи от самолетов и космических аппаратов, используя свойства частотного спектра, так что отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в одном и том же участке с использованием разностей скоростей. Это требует когерентного передатчика. Другой метод использует индикатор движущейся цели, который вычитает сигнал, получаемый от двух последовательных импульсов с использованием фазовой обработки для ослабления сигналов от медленно движущихся объектов. Этот метод может быть адаптирован для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, например, во временно-интервальной амплитудно-импульсной радиолокации.

Постоянная частота ложного срабатывания, форма автоматической регулировки усиления (АРУ), представляет собой метод, который опирается на том, что помехи возвращают большее число эхо-сигналов, чем цели, представляющие интерес. Коэффициент усиления приемника регулируется автоматически для поддержания постоянного общего уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные под более заметные окружающие помехи, это действительно помогает различать заметные цели. В прошлом в радарах применялась АРУ с электронным управлением, и она влияла на усиление всего приемника радара. По мере развития радары АРУ стала управляться программным обеспечением компьютера, и стала влиять на усиление с большей зернистостью в специфических ячейках обнаружения.

Помехи могут также исходить из многолучевого распространения отражения от действительных целей, вызванных отражением землей, атмосферными потоками или ионосферным отражением/преломлением (например, при аномальном распространении). Этот тип помех вызывает особое беспокойство, поскольку сигнал от них двигается и ведёт себя, как от других нормальных (точек) целей, представляющих интерес. В типичном сценарии, эхо-сигнал от воздушного судна, отраженный от земли, появляется в приемнике в качестве идентичной цели, расположенной ниже действительной. Радар может попытаться унифицировать цели, сообщив о цели на неправильной высоте, или устранить ее на основе дрожания или физической нереальности. Системы радиоподавления на основе ландшафтных отражений используют это свойство, усиливая сигнал радара и направляя его вниз. Эти проблемы могут быть преодолены путем включения наземной карты окружения радара и устранения всех эхо, которые, как представляется, возникают под землей или выше определенной высоты. Монопульс можно усовершенствовать путем изменения рельефного алгоритма, используемого при низкой высоте. В новейшем радиолокационном оборудовании управления воздушным движением используются алгоритмы выявления ложных целей путем сравнения текущих импульсов возврата со смежными, а также расчета возвратных неправдоподобий.

Радиоэлектронное подавление

Радиоэлектронное подавление радара относится к радиочастотным сигналам, происходящим из источников вне радара, передающимся на частоте радара и, таким образом, происходит маскировка цели, представляющей интерес. Помехи могут быть преднамеренными, создаваемыми в соответствии с тактикой радиоэлектронной борьбы, или непреднамеренными, создаваемыми действующим оборудованием дружественных сил, которое использует тот же частотный диапазон. Радиоэлектронное подавление считается активным источником помех, так как оно инициируется элементами вне радара и вообще не связано с сигналом подавляемого радиолокатора.

Радиоэлектронное подавление проблематично для радаров, так как подавляющему сигналу необходимо пройти только часть пути в одном направлении (от источника помех до приемника радара), тогда как радиолокационный сигнал совершает удвоенный путь (радар-цель-радар) и, следовательно, значительно снижается его мощность к тому времени, когда он возвращается в приемник радара. Поэтому системы радиоэлектронного подавления могут быть гораздо менее мощными, чем подавляемые ими радары, и при этом продолжать эффективно маскировать цели по линии прямой видимости от системы подавления к радиолокатору (подавление по основному лепестку диаграммы направленности). Системы радиоэлектронного подавления имеют дополнительный эффект влияющий на радары вдоль других линий видимости посредством боковых лепестков диаграммы направленности антенны приемника радара (подавление по боковым лепесткам диаграммы направленности).

Подавление по главному лепестку обычно может быть уменьшено только за счет сужения телесного угла главного лепестка и не может быть полностью устранено при прямой наводке антенны приемника на систему подавления, использующую ту же частоту и поляризацию, что и радар. Подавление по боковым лепесткам может быть преодолено за счет уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности антенны радара и использования всенаправленной антенны для обнаружения и игнорирования сигналов, не связанных с сигналами главного направления. Другим методом защиты от радиоэлектронного подавления является скачкообразная перестройка частоты и направлений поляризации.

Обработка радиолокационных сигналов

Способ измерения расстояния сигнала

Один из способов измерения расстояния основан на измерении времени пролета: передается короткий радиоимпульс (электромагнитное излучение) и измеряется время, через которое отраженный сигнал возвращается к приемнику. Расстояние составляет половину произведения времени прохождения (потому что сигнал должен сначала достичь цели, а затем вернуться обратно к приемнику) на скорость сигнала. Так как радиоволны распространяются со скоростью света, точное измерение расстояния требует высокоскоростного электронного оборудования. В большинстве случаев, приемник не принимает отраженные импульсы в то время как передается сигнал. Благодаря использованию антенного переключателя, радар переключается между передачей и приемом с заранее установленной скоростью. Аналогичный эффект также накладывает ограничение на максимальную дальность обнаружения. Для того, чтобы максимально увеличить дальность, требуется использовать более длительное время между импульсами, называемое временем повторения импульсов, или частотой повторения импульсов.

Эти два эффекта, как правило, конфликтуют друг с другом, и поэтому не легко сочетать в одном сооружении и хороший ближний, и хороший дальний радары. Это объясняется тем, что короткие импульсы, необходимые для хорошего ближнего обнаружения обладают меньшей полной энергией, что делает отраженный сигнал гораздо слабее, и поэтому цель труднее обнаружить. Этот недостаток может быть компенсирован увеличением числа импульсов, но при этом сократится максимальный диапазон. Таким образом, каждый радар использует специфический тип сигнала. Дальние радары, как правило, используют длинные импульсы с длительными задержками между ними, а радары малой дальности используют короткие импульсы с меньшими промежутками времени между ними. С развитием электроники многие радары теперь могут изменять частоту повторения импульсов, тем самым изменяя свой диапазон определения дальности. Новейшие радары выпускают два импульса из одного элемента, один для ближнего определения расстоянии (около 10 км (6,2 миль)) и другой сигнал для дальнего радиуса действия (около 100 км (62 миль)).

Разрешение расстояния и уровень принимаемого сигнала относительно шума зависят от формы импульса. Импульс часто модулируется для достижения лучшей производительности с помощью метода, известного как сжатие импульсов.

Расстояние также может измеряться в единицах времени. Радиолокационная миля - это количество времени, которое требуется для прохождения радиоимпульсу одной морской мили, отразиться от цели, и вернуться обратно к радиолокационной антенне. Так как морская миля определяется как 1,852 м, то разделив это расстояние на скорости света (299792458 м / с), а затем умножив результат на 2 получим в результате продолжительность 12,36 мкс.

Частотная модуляция сигнала

Другой формой измерения расстояния радара основан на частотной модуляции. Сравнение частоты между двумя сигналами является значительно более точным методом, даже с использованием более старой электроники, чем измерение времени прохождения сигнала. Измеряя частоту отраженного сигнала и сравнивая её с частотой изначальной, можно легко измерить разницу между ними.

Этот метод может быть использован в радаре непрерывной волны и он часто применяется в радарных высотомерах самолетов. В этих системах" несущий " радиолокационный сигнал модулируется предсказуемым образом, обычно изменяясь вверх и вниз со звуковой частотой по синусоидальному или пилообразному закону. Сигнал затем посылается из одной антенны, а принимается на другую, как правило, расположенную в нижней части летательного аппарата, и сигнал можно непрерывно сравнивать с помощью простого частотного модулятора, который выдает сигнал с частотой, являющейся разностью между частотами возвращенного сигнала и порции передаваемого сигнала.

Так как частота сигнала меняется, то к тому времени, когда сигнал возвращается к самолету частота передаваемого сигнала уже становится другой. Величина сдвига частоты используется для измерения расстояния.

Глубина модуляции принимаемого сигнала пропорциональна временной задержке между радаром и отражателем. Величина этого сдвига частоты становится больше с большей задержкой по времени. Мера количества частотного сдвига прямо пропорциональна расстоянию. Это расстояние может быть отображено на приборе, и информация о нем также может быть доступна через транспондер. Эта обработка сигнала аналогична той, которая используется для определения скорости доплеровского радара. Примерами систем, использующих такой подход, являются Azusa, MISTRAM и UDOP.

Еще одно преимущество состоит в том, что радар может эффективно работать на относительно низких частотах. Это было важно на раннем этапе развития этого типа, когда генерация высокочастотного сигнала была затруднительна или затратна.

Наземные РЛС используют частотно-модулированные сигналы (FM) с низким энергопотреблением, которые охватывают более широкий диапазон частот. Многочисленные отражения анализируются математически для изменения шаблона с множественными проходами, создавая компьютеризированное синтетическое изображение. Использование эффекта Доплера, позволяет обнаруживать медленно движущиеся объекты, а также в значительной степени устранять "шум", возникающий при отражении от поверхностей водоемов.

Способ измерения скорости сигнала

Скорость - это изменение расстояния до объекта по времени. Таким образом, ныне существующие системы для измерения расстояния комплектуются элементами памяти для запоминания предыдущего положения цели, что вполне достаточно для измерения скорости. В свое время в качестве памяти служили отметки карандашом, делаемые оператором на экране радара, по которым затем рассчитывалась скорость с использованием логарифмической линейки. Современные радиолокационные системы выполняют эквивалентные операции быстрее и точнее с помощью компьютеров.

Если выходной сигнал передатчика является когерентным (фазы синхронизированы), то используется ещё один эффект, чтобы сделать почти мгновенные измерения скорости (не требующие наличие памяти), известный как эффект Доплера. Большинство современных радиолокационных систем используют этот принцип в доплеровских РЛС и импульсно-доплеровских радиолокационных системах (метеорологические радиолокаторы, военные РЛС). С помощью эффекта Доплера можно определить только относительную скорость цели по линии прямой видимости от радара до цели. Любой компонент скорости цели, перпендикулярный к линии прямой видимости, не может быть определен с помощью одного только эффекта Доплера, но оно может быть определено путем отслеживания азимута цели в течение некоторого времени.

Можно сделать доплеровский радар без каких-либо пульсаций, известный как радар непрерывного излучения (CW radar), распространяющий очень чистый сигнал известной частоты. РЛС непрерывного излучения идеально подходит для определения радиальной составляющей скорости цели. РЛС непрерывного излучения, как правило, используется при контроле за соблюдением правил дорожного движения для быстрого и точного измерения скорости автомобиля, где измерение дальности не имеет значения.

При использовании импульсного радара изменение фазы последовательных возвратов дает расстояние, на которое цель переместилась между импульсами, и таким образом может быть рассчитана ее скорость. Другие математические достижения в обработки радиолокационного сигнала включают частотно-временной анализ (Вейля Гейзенберга или вейвлет), а также чирплет-преобразование, которое использует изменение частоты возвратов от движущихся целей ("щебет").

Импульсно-доплеровская обработка сигналов

Импульсно-доплеровская обработка сигналов включает в себя фильтрацию частоты в процессе детектирования. Пространство между каждым переданным импульсом делится на элементы дальности или на селекторные импульсы дальности. Каждый элемент фильтруется независимо так же, как в процессе, используемом анализатором спектра для получения отображения различных частот. Каждое разное расстояние производит различный спектр. Эти спектры используются для выполнения процесса обнаружения. Это необходимо для достижения приемлемой производительности в неблагоприятных средах, связанных с погодой, рельефом местности и электронными мерами противодействия.

Основной задачей является измерение амплитуды и частоты совокупного отраженного сигнала на нескольких расстояниях. Это используется в погодном радаре для измерения радиальной скорости ветра и скорости осадков в каждом различном участке атмосферы и связано с вычислительными системами для составления электронной карты погоды в режиме реального времени. Безопасность полетов воздушных судов зависит от непрерывного доступа к точной информации, получаемой погодным радаром, который используется для предотвращения травм и аварий. Погодный радар использует низкую частоту повторения импульсов (PRF). Требования когерентности здесь не столь строгие, как требования к военным системам, поскольку отдельные сигналы обычно не требуют разделения. Метеолокаторам обычно требуется менее сложная фильтрация и обработка неоднозначности определения дальности по сравнению с военными РЛС, предназначенными для отслеживания воздушных транспортных средств.

Альтернативная задача "обнаружение и поражение целей в нижней полусфере" - способность, необходимая для улучшения военно-воздушной боевой живучести. Импульсно-доплеровские системы также используются для радиолокационного наземного наблюдения, необходимого для защиты персонала и транспортных средств. Импульсно-доплеровская обработка сигналов увеличивает максимальную дальность обнаружения, используя меньшую мощность излучения в непосредственной близости от воздушных судов, пилотов, обслуживающего персонала, пехоты и артиллерии. Отражения от рельефа местности, воды и погодных явлений производят большее количество сигналов, чем самолеты и ракеты, что позволяет быстро движущимся транспортным средствам скрытно пролетать на предельно малых высотах, используя стелс-технологии, чтобы избежать обнаружения до того момента, когда штурмовик выйдет на цель уничтожения. Импульсно-доплеровская обработка сигналов включает в себя более сложную электронную фильтрацию, которая надежно устраняет этот вид уязвимости. Для этого требуется использование умеренной частоты повторения импульсов с использованием аппаратных средств с фазовой когерентностью, которая имеет большой динамический радиус действия. Военные приложения требуют средней частоты повторения импульсов (ПРФ), которая предотвращает прямое определение дальности, и для определения истинной дальности всех отраженных сигналов требуется обработка разрешения неоднозначности в определении дальности. Радиальное движение, как правило, связывается с частотой Доплера для фиксации сигналов, которые не могут быть произведены системами радиоэлектронного подавления. Импульсно-доплеровская обработка сигналов также производит звуковые сигналы, которые могут быть использованы для идентификации угроз.

Устранение пассивных помех

Обработка сигналов используется в радиолокационных системах для уменьшения влияния радиолокационных помех. Методы обработки сигналов включают в себя индикацию движущихся целей, импульсно-доплеровскую обработку сигналов, процессоры обнаружения движущейся цели, корреляцию с целями дополнительного обзорного радиолокатора, пространственно-временную адаптивную обработку и алгоритм track-before-detect (отслеживание до определения). Постоянная частота ложных сигналов и обработка цифровой модели местности также используются в условиях помехообразующей среды.

Системы отслеживания целей

Алгоритм отслеживания - это стратегия повышения производительности радара. Алгоритмы отслеживания позволяют прогнозировать будущее положение нескольких движущихся объектов на основе истории отдельных позиций, сообщаемых сенсорными системами.

История сканирования накапливается и используется для прогнозирования будущих позиций для использования в управлении воздушным движением, оценках угроз, в доктрине боевой системы, прицеливания оружия и ракетного наведения. Данные о местоположении накапливаются радарными датчиками в течение нескольких минут.

Существует четыре общих алгоритмов отслеживания.

• Алгоритм ближайшего соседа

• Алгоритм вероятностного объединения данных

• Алгоритм отслеживания многих гипотез

• Интерактивный многомодельный (ИММ) алгоритм

Не соответствующие реальному времени отражения могут быть удалены из отображаемой информации, чтобы на дисплее отображалась только действительная цель. В некоторых радиолокационных системах, или в качестве альтернативы в системе управления и контроля, к которой подключен радар, и радиолокационное отслеживания используется для связывания последовательностей отметок, относящихся к отдельным целям и оценочного определения курсов и скоростей целей.

Устройство радиолокационной станции

Компонентами радиолокационной станции являются:

• Передатчик, который генерирует радиосигнал с помощью клистрона или магнетрона и контролирует его продолжительность с помощью модулятора.
• Волновод, который связывает передатчик с антенной.
• Дуплексор, который служит в качестве переключателя между антенной и передатчиком или антенной и приемником в зависимости от режима работы радара.
• Приемник. Зная форму желаемого приемного сигнала (импульса), можно сконструировать оптимальный приемник с использованием согласующего фильтра.
• Процессор дисплея для получения сигналов для устройств вывода, адаптированных для человеческого восприятия.
• Электронный блок, который управляет всеми этими устройствами и антенной для выполнения радиолокационного сканирования по заданной программе.
• Ссылка на конечные пользовательские устройства и дисплеи.

Конструкция антенны

Радиосигналы, передаваемые от простой антенны будут распространяться во всех направлениях, а также такая антенна будет принимать сигналы одинаково со всех сторон. Такая антенна делает проблематичным определение радаром местоположения цели.

Ранние системы, как правило, использовали всенаправленные передающие антенны и направленные приемные антенны, которые ориентировали в различных направлениях. Например, первая система, которая была развернута, Chain Home, использовала две стержневые антенны, скрещенные под прямым углом для приема сигналов каждой на свой индикатор. Максимальный отраженный сигнал должен был обнаруживаться антенной, расположенной перпендикулярно к ​​цели, а минимальный - антенной, направленной своим концом на цель. Оператор мог определить направление на цель, вращая антенну таким образом, что один индикатор показывал максимум сигнала, в то время как другой показывал его минимум. Один серьезный недостаток такого типа конструкции заключался в том, что передача сигнала осуществлялась во всех направлениях, так что в нужном направлении передавалась только небольшая часть всей генерируемой энергии. Для того, чтобы передавать адекватную величину мощности в направлении «цели», передающая антенна должна быть также направленной.

Спутниковая тарелка

Более современные системы используют управляемую параболическую "тарелку" для создания плотного луча "освещения цели", обычно используя ту же тарелку, что и приемник. Такие системы часто объединяют две радиолокационные частоты в одну и ту же антенну для обеспечения автоматического управления направлением или отслеживанием цели радиолокатором.

Параболические отражатели могут быть либо симметричными параболами, либо искаженными параболами. Симметричные параболические антенны производят узкий "карандашный" луч в обоих X и Y измерениях и, следовательно, имеют более высокий коэффициент усиления. Импульсно-доплеровский метеорологический радиолокатор NEXRAD использует симметричную антенну для выполнения детальных объемных сканирований атмосферы. Искаженные параболические антенны производят узкий пучок в одном измерении и относительно широкий пучок в другой. Эта функция полезна, если обнаружение цели в широком диапазоне углов является более важным, чем её местоположение в трех измерениях. Большинство 2D радиолокаторов используют искаженную параболическую антенну с узким азимутальным лепестком и широким вертикальным лепестком. Такая конфигурация луча позволяет оператору радара обнаруживать воздушное судно в определенном азимуте, но на неопределенной высоте. С другой стороны, так называемые "кивающие" радары обнаружения высоты используют тарелку с узкой вертикальной шириной и широким в азимутальном направлении лучом для обнаружения воздушного судна на определенной высоте, но с низкой азимутальной точностью.

Сканирование в радиолокации

• Первичное сканирование: техника сканирования, где основная антенна перемещается для получения пучка сканирования, примеры включают круговое сканирование, сканирование сектора и т.д.

• Вторичное сканирование: техника сканирования, где питание антенны перемещается для получения пучка сканирования, примеры включают коническое сканирование, однонаправленное сканирование сектора, переключение лепестка и т.д.

• Сканирование Палмера: метод сканирования, который производит сканирующий луч, перемещая основную антенну и ее питание. Сканирование Палмера представляет собой сочетание первичного сканирования и вторичного сканирования.

• Коническое сканирование: Радиолокационный луч вращается в узком кругу вокруг оси "прицеливания", которая направлена ​​на цель.

Щелевые волноводные антенны

Применяемый аналогично параболическому отражателю, щелевой волновод перемещается механически для сканирования и особенно подходит для системы сканирования поверхности без отслеживания, где вертикальный рисунок может оставаться постоянным. Благодаря более низкой стоимости и меньшему воздействию ветра радары наблюдения на судах, поверхности аэропортов и гаваней теперь используют этот подход, предпочитая его параболической антенне.

Фазированная антенная решетка

Другой способ управления используется в РЛС с фазированной решеткой.

Фазированные антенные решетки (ФАР) состоят из равномерно расположенных подобных излучающих элементов, таких как обычные антенны или рядов щелевых волноводов. Каждый антенный элемент или группа излучающих элементов содержит дискретный фазовый сдвиг, который создает градиент фаз на решетке. Например, элементы решетки, продуцирующие фазовый сдвиг 5 градусов для каждой длины волны по грани решетки будет производить луч, направленный на 5 градусов в сторону от осевой линии, перпендикулярной к плоскости решетки. Сигналы, идущие по этому лучу, будут усилены. Сигналы, смещенные от луча, будут ослаблены. Количество излучающих элементов является коэффициентом усиления антенны. Значение периода решетки определяет степень подавления боковых лепестков диаграммы направленности.

Радары ФАР использовались на заре зарождения радаров во время Второй мировой войны (РЛС Mammut, Германия), но ограниченные возможности электронных устройств тех лет были причиной их низкой эффективности. Радары ФАР первоначально использовались для противоракетной обороны (смотри, например, Программа Safeguard («Мера предосторожности»)). Они являются сердцем корабельных систем Иджис и ракетной системы Patriot. Массивная избыточность, связанная с наличием большого количества элементов фазированной решетки, повышает надежность в случае постепенного снижения производительности, которое происходит в связи с выходом из строя отдельных элементов фазы. В меньшей степени, радары ФАР используются в в системе наблюдения за погодой. По состоянию на 2017 год, На­ци­о­наль­ное управление оке­а­ни­чес­ких и атмосферных ис­сле­до­ва­ний США планирует внедрить национальную сеть многофункциональных РЛС с фазированными решетками на всей территории США в течение 10 лет, для метеорологических исследований и мониторинга полетов.

Фазированная антенная решетка может быть построена в соответствии с конкретной конфигурацией, как для ракет, кораблей и самолетов, так и для средств поддержки пехоты.

По мере снижения цены на электронные компоненты, радары ФАР становились более распространенными. Почти все современные военные радарные системы основаны на фазированных антенных решетках, где небольшие дополнительные расходы компенсируются за счет повышения надежности системы без каких-либо движущихся частей. Традиционные конструкции с движущейся антенной до сих пор широко используется в службах, где стоимость является важным фактором (наблюдение за воздушным движением и другие подобные системы).

Радары ФАР неоценимо важны для использования в летательных аппаратах, так как они могут отслеживать несколько целей. Первый самолет использовавший радар ФАР был B-1B Lancer. Первый истребитель использовавший радар ФАР был МиГ-31. В БРЛС-8Б «Заслон» (классификация НАТО - «SBI-16»), установленной на MiG-31М, имеется пассивный радар ФАР с электронным сканированием, который считался самым мощным в мире радаром истребителя, пока система AN/APG-77 с активной антенной решеткой с электронным сканированием не была установлена на F-22 Raptor корпорации Lockheed Martin .

Фазированная интерферометрия или методы синтеза апертуры, используя массив отдельных параболических антенн, которые фазированы в единую эффективную апертуру, является не типичным для радаров применением, хотя и широко используется в радиоастрономии. Из-за проклятия разреженных антенных решеток такие множественные апертурные массивы при использовании в передатчиках приводят к сужению лучевого пучка за счет уменьшения общей мощности, передаваемой цели. В принципе, такие методы могут повысить пространственное разрешение, но уменьшение мощности означает, что это, как правило, не эффективно.

Синтез апертуры с обработкой данных, поступающих от отдельно движущегося источника, с другой стороны, широко используется в космических и бортовых радиолокационных системах.

Диапазон частот антенны

Традиционные названия частотных диапазонов возникли как кодовые имена во время Второй мировой войны и до сих пор используются во всем мире в военном деле и авиации. Они были приняты в Соединенных Штатах Институтом инженеров электротехники и электроники и на международном уровне Международным союзом электросвязи. В большинстве стран существуют дополнительные правила контроля за тем, какие области радиодиапазонов отведены для гражданского или военного назначения.

Другие пользователи радиочастотного спектра, такие, как отрасли радиовещания и электронных средств противодействия, заменили традиционные военные обозначения собственными системами обозначений.

Модулятор антенного сигнала

Модуляторы формируют волновой пакет ВЧ-импульса. Существуют две различные конструкции радарных модуляторов:

Некогерентные генераторы мощности, подключаемые высоковольтными переключателями. Эти модуляторы состоят из генератора импульсов высокого напряжения, создаваемого источником высокого напряжения, формирующей импульс сети, и переключателя высокого напряжения, такого как тиратрон. Они генерируют короткие импульсы мощности, чтобы питать, например, магнетрон - особый тип вакуумной трубки, который преобразует постоянный ток (обычно пульсирующий) в микроволны. Эта технология известна как технология импульсной мощности. Таким образом, передаваемый импульс РЧ-излучения имеет определенную и, как правило, очень короткую длительность.

Гибридные смесители, питаемые генератором сигналов и возбудителем сложной, но когерентной формы сигнала. Эта форма волны может производиться входными сигналами низкой мощности/низкого напряжения. В этом случае радиолокационный передатчик должен быть усилителем мощности, например, клистронной трубкой или полупроводниковым передатчиком. Таким образом, передаваемый импульс является внутриимпульсно-модулированным, и приемник радара должен использовать методы сжатия импульсов.

Радиолокационная охлаждающая жидкость

Когерентные микроволновые усилители, выдающие СВЧ-сигналы с мощностью свыше 1000 Вт, такие как лампы бегущей волны и клистроны, требуют использования жидкого хладагента. Электронный пучок должен содержать в 5 и даже в 10 раз больше энергии, чем в выходном СВЧ-сигнале, и поэтому он может вырабатывать достаточное количество тепла для генерации плазмы. Эта плазма течет из коллектора к катоду. Та же магнитная фокусировка, которая направляет пучок электронов, вынуждает плазму сфокусироваться в линию электронного пучка, но при этом протекать в противоположном направлении. При этом происходит частотное модулирование, которое ухудшает производительность доплеровского радара. Чтобы не допустить этого, используются охлаждающие жидкости с минимальным давлением и скоростью потока, в этом качестве деионизированная вода обычно используется в наиболее высокомощных радиолокационных доплеровских системах.

Куланол (силикатный эфир) использовался в некоторых военных радарах в 1970-е годы. Однако, из-за его гигроскопичности происходит гидролиз и образование легковоспламеняющихся спиртов. Потеря самолета ВМС США в 1978 году была вызвана воспламенением силикатного эфира. Куланол также дорог и токсичен. В ВМС США разработали программу под названием Предотвращение загрязнений (ПЗ) для устранения или уменьшения объема и токсичности отходов, выбросов в атмосферу и в сточных водах, которая предусматривает сокращение использования куланола.

Закон о радарах

Радар (также: RADAR) определяется статьей 1.100 Регламента радиосвязи (РР) Международного Союза Электросвязи (МСЭ), как:

Система радиоопределения, основанная на сравнении эталонных сигналов с радиосигналами, отраженными или ретранслируемыми из места, подлежащего определению. Каждая система радиоопределения должна быть классифицирована службой радиосвязи, с которой она временно или постоянно взаимодействует. Характерным применением радара являются первичные и вторичные РЛС. Они могут применяться в радиолокационной или спутниковой радиолокационной службах.

Радар (от англ. RA dio D etection A nd R anging (RADAR) - радиообнаружение и определение дальности , (синонимы: радиолокатор, радиолокационная станция, РЛС) - устройство, служащее для обнаружения и наблюдения за различными объектами с помощью радиоволн и определения дальности, скорости, направления перемещения и геометрических параметров обнаруженных объектов.

История изобретения

Зенитный радиоискатель Б-2 "Буря", СССР 1935 год.

Эффект отражения радиоволн был открыт в 1886 году немецким физиком Генрихом Герцем (нем. Heinrich Rudolf Hertz ). В 1897 году, работая со своим радиопередатчиком, Александр Попов обнаружил, что радиоволны отражаются от металлических частей кораблей.
Патенты на изобретение устройств радиообнаружения были выданы в 1905 году в Германии, в 1922 в США, в 1934 году - в Великобритании.
В 1934 году в СССР был успешно проведен эксперимент по обнаружению самолета с помощью эффекта отражения радиоволн – самолет, летящий на высоте 150 метров, был обнаружен на дальности 600 метров от установки. В том же году на Ленинградском радиозаводе были выпущены опытные образцы РЛС «Вега» и «Конус» для системы радиообнаружения самолетов «Электровизор». В СССР в то время термин "радар" не применялся, первые РЛС назывались радиоулавливателями или радиоискателями. На вооружение в СССР РЛС были приняты в 1939 году.
Наибольших успехов до начала Второй мировой войны в радиолокации добились англичане, которые начали массово устанавливать РЛС на военные корабли, а в 1937 году создали сеть радиолокационного обнаружения Chain Home вдоль побережья Ла-Манша и восточного побережья Англии, состоявшую из 20 станций, способных обнаружить самолет на дистанции до 350 км.

Принцип действия

Принцип радиолокации

В основе радиолокации лежит способность радиоволн отражаться от различных предметов. В классическом импульсном радаре передатчик формирует радиочастотный импульс, который излучается направленной антенной. В случае, если на пути распространения радиочастотной волны встречается какой либо предмет, часть энергии отражается от этого предмета, в том числе - в направлении антенны. Отраженный радиосигнал принимается антенной и преобразуется приемником для дальнейшей обработки.
Так как радиоволны распространяются с постоянной скоростью, то по времени прохождения сигнала от станции до объекта и обратно можно определить расстояние до объекта: Д км = (300000км/сек * t сек)/2.
Помимо наклонной дальности до цели с помощью радара можно также определить скорость и направление перемещения, а также оценить ее размеры.
Для радиолокации используются УКВ и СВЧ диапазоны волн, первые РЛС работали, как правило, на частотах от 100 до 1000 МГц.

Классификация

Радары классифицируются по множеству принципов, ниже приведены наиболее распространенные параметры их классификации.
По прохождению сигнала:

• активные (с активным ответом)
• пассивные

По диапазону волн:

• метровые
• дециметровые
• сантиметровые
• миллиметровые

По разнесению приемной и передающей части:

• совмещенные
• раздельные

По месту расположения:

• наземные
• авиационные
• корабельные

По виду зондирующего сигнала:

• непрерывного действия
• импульсные

По назначению: По назначению:

• раннего обнаружения и оповещения
• обзорные
• целеуказания
• контрбатарейной борьбы

По измеряемым координатам:

• однокоординатные
• двухкоординатные
• трехкоординатные

По способу сканирования пространства:

• без сканирования
• со сканированием в горизонтальной плоскости
• со сканированием в горизонтальной плоскости с V-лучом
• со сканированием в вертикальной плоскости
• со спиральным сканированием
• с переключением лепестков диаграммы направленности

По способу отображения информации

• с индикатором дальности
• с раздельными индикаторами дальности и азимута (высоты)
• с индикатором кругового обзора
• с индикатором азимут-дальность

Хронология

• 1886 Генрих Герц открывает эффект отражения радиоволн.
• 1897 Александр Попов фиксирует влияние проходящего корабля на работу канала радиосвязи.
• 1904 Кристиан Хюльсмэйер создает телемобилоскоп - устройство, фиксирующее отражение радиоволн.
• 1906 Ли де Форест создает первую радиолампу.
• 1921 Альберт Халл разарабатывает магнетрон - прибор для генерации СВЧ радиоволн.
• 1930 Лоренс Э.Хайленд обнаруживает искажение прохождения радиоволн при пролете самолета между антеннами.
• 1931 Авиационная радиолаборатория ВМС США приступает к проектированию устройства обнаружение вражеских судов и самолетов с помощью радио.
• 1934 Экспериментальный американский радар обнаруживает самолет на расстоянии 1 мили.
• 1934 В Ленинграде проведены успешные эксперименты по радиообнаружению самолетов.
• 1935 Германская компания GEMA создает первый прибор радиообнаружения для Кригсмарине.
• 1935 В ходе эксперимента на британской военной базе Орфорд Несс удалось обнаружить самолет на удалении 17 км.
• 1936 В Великобритании ведены встрой первые радиолокаторы системы раннего радиообнаружения Chain Home.
• 1936 В Великобритании проведены успешные испытания радара Type 79X, установленного на тральщик HMS Saltburn.
• 1937 Кригсмарине принимает на вооружение радары типов Seetakt и Flakleit.
• 1939 В США построен экспериментальное устройство XAF, для названия которого впервые использовано слово радар.
• 1939 В Германии вводится в строй система раннего радиообнаружения на базе радаров Freya и Würzburg.
• 1939 В СССР принята на вооружение станция обнаружения самолетов РУС-1 "Ревень".
• 1939 В Великобритании радар ASV Mk.I успешно испытан на самолете Avro Anson K6260.
• 1940 В США на воружения поступают первые радары дальнего обнаружения SCR-270.
• 1940 Первые радары CXAM поступают на вооружение ВМФ США.
• 1941 Компания GEMA начинает установку радаров серии Seetakt на немецкие подводные лодки.
• 1941 Люфтваффе принимает на вооружение первые авиационные радары FuG 25a "Erstling" и FuG 200 "Hohentwiel".
• 1941 РЛС "Редут-К" установлена на крейсер "Молотов".
• 1941 В Японии введен первый радар дальнего обнаружения Type 11.
• 1942 РЛС "Гнейс-2" поступила на вооружение самолетов Пе-2.
• 1942 На вооружение ВМФ США поступает радар системы автоматического наведения зенитных орудий SCR-584.
• 1943 немецкий радар Jagdschloss впервые оснащен индикатором кругового обзора.

Теги: Радары, устройство радара, принцип работы радара, примеры использования радаров

Радары

Р адар - это устройство для обнаружения и определения местонахождения объектов в пространстве по отраженным от них радиоволнам; радиолокатор.

Название этого радиолокационного прибора «радар» (Radar) происходит от аббревиатуры его полного наименованию на английском языке – Radio Detection And Ranging (радиообнаружение и измерение дальности).

Базовые принципы функционирования радара

Можно описать следующим образом принцип, по которому работает радар: очень схож с принципом отражения звуковой волны. Если вы кричите в направлении звукоотражающего объекта (такого как ущелье в горах или пещера), вы услышите эхо. Если вам известна скорость звука в воздухе, вы можете затем оценить расстояние и общее направление и направление на объект. Время, необходимое для возврата эха, может грубо преобразовываться в расстояние, если вам известна скорость звука. В радаре используются импульсы электромагнитной. Высокочастотная энергия измеряется радаром и отражается от наблюдаемого объекта. Некоторая небольшая часть этой отраженной энергии возвращается обратно к радару. Эта отраженная энергия называется ЭХО, так же как и в терминологии звука. Радар использует это эхо для определения направления и расстояния до отражающего объекта.

Как следует из этого определения, радары используются для обнаружения присутствия цели (объекта обнаружения) и определения его положения в пространстве. Сокращение подразумевает также тот факт, что измеряемой количественной величиной обычно является расстояние до объекта. На рис. 1. показан упрощенный принцип работы простейшего радара. Антенна радара облучает цель СВЧ-сигналом, который затем отражается от цели и «захватывается» приемным устройством. Электрический сигнал, захватываемый приемной антенной радара, называется «эхом» или «ответом». Сигнал радара генерируется мощным передатчиком и принимается специальным высокочувствительным приемником.

Алгоритм обработки сигнала

Алгоритм работы простейшего радара можно описать следующим образом:

• Передатчик радара выдает короткие мощные СВЧ импульсы энергии
• Переключатель (мультиплексор) попеременно переключает антенну между передатчиком и приемником так, чтобы использовалась только одна необходимая антенна. Это переключение необходимо, так как мощные импульсы передатчика разрушили бы приемник, если бы энергия поступила непосредственно на вход приемника
• Антенна передает сигналы передатчика в пространство с требуемым распределением и эффективностью. Этот процесс применяется аналогичным образом при приеме
• Передаваемые импульсы излучаются в пространство посредством антенны в виде электромагнитной волны, которая проходит по прямой линии с постоянной скоростью и будет затем отражаться от цели
• Антенна принимает обратные рассеянные сигналы (так называемые эхо-сигналы)
• При приеме мультиплексор подает слабые эхо-сигналы на вход приемника
• Сверхчувствительный приемник усиливает и демодулирует принятые СВЧ сигналы и выдает видеосигналы на выход
• Индикатор представляет наблюдателю непрерывную графическую картину положения целей относительного радара

Все цели выдают так называемое диффузное отражение, т.е. сигнал обычно отражается в широком диапазоне направлений. Такой отраженный сигнал также называется «рассеянием» или обратным рассеянием – это термин, присвоенный отражениям сигнала в противоположном направлении относительно падающего луча.

Сигналы радара могут отображаться как на традиционном индикаторе положения на плоскости (PPI), так и на более современных (жидкокристаллических, плазменных и др.) системах дисплея радара. Экран PPI имеет вращающийся вектор с радаров в начале координат, который отображает направление антенны (азимут целей). Он обычно изображает картину исследуемого пространства в виде карты зоны, покрываемой лучом радара.

Очевидно, что большинство функций простейшего радара являются зависящими от времени. Временная синхронизация между передатчиком и приемником радара требуется для измерения расстояния. Системы радара излучают каждый импульс в течение времени передачи (или длительности импульса τ), ожидают возврата эхо-сигналов во время «слушания» или времени покоя и затем излучают следующий импульс, что показано на рис. 2.

Так называемый синхронизатор координирует во времени процесс синхронизации для определения расстояния до цели и выдает сигналы синхронизации для радара. Он же одновременно подает сигналы на передатчик, который посылает следующий новый импульс, и на индикатор и другие связанные схемы управления.

Время между началом одного импульса и началом следующего импульса называется периодом или межимпульсным интервалом (PRT) и PRT = 1/PRF.

Здесь частота повторения импульса (PRF) системы простейшего радара – это число импульсов, которые передаются в секунду. Частота передачи импульсов существенно влияет на максимальное расстояние, которое может отображаться, что мы покажем ниже.

Основная функция радара – измерение расстояния

Расстояние до стационарной или перемещающейся цели (объекта) определяется из времени прохождения высокочастотного передаваемого сигнала и скорости распространения (с0). Фактическое расстояние цели от радара обычно называют «наклонная дальность» – это некоторая линия в поле зрения между радаром и облучаемым объектом, в то время как расстояние «по земле» – это горизонтальное расстояние между излучателем и его целью и его расчеты требуют знания высоты цели. Так как волны проходят к цели и обратно, то физическое время кругового прохождения луча радара делится пополам с целью получения времени, которое необходимо волне для достижения этой цели. Поэтому для расчетов обычно используется следующая формула:

Где R – наклонная дальность; t delay – время, необходимое для прохождения сигнала до цели и обратно; с 0 – скорость света (приблизительно 3 × 10 8 м/сек).

Если соответствующее время прохождения (t delay ) известно, то расстояние R между целью и радаром можно легко рассчитать с использованием этого выражения.

Одна из практических проблем определения точности расстояния состоит в том, как однозначно определить расстояние до цели, если цель возвращает мощный эхо-сигнал. Эта проблема возникает из-за того, что импульсные радары, как правило, передают последовательность импульсов. Приемник радара измеряет время между передними фронтами последнего переданного импульса и импульса эха. На практике часто бывают, что эхо будет приниматься от цели на значительном (большом) расстоянии после передачи второго импульса передачи.

В этом случае радар будет определять «неправильный» временной интервал и, как следствие, неправильное расстояние. Процесс измерения допускает, что импульс связывается со вторым переданным импульсом и показывает значительно меньшее по сравнению с фактическим расстоянием до цели. Это называется «неоднозначность определения расстояния» и имеет место тогда, когда имеются крупноразмерные цели на расстояниях, превышающих время повторения импульса. Время повторения импульса определяет максимальное «однозначное» расстояние. Для увеличения значения «однозначного» расстояния необходимо увеличить PRT (это значит – снизить PRF).

Эхо-сигналы, появляющиеся после времени приема, могут фиксироваться: – либо во времени передачи, где они остаются не принимаемыми в расчет, так как радар не готов к приему в это время, – либо в следующем времени приема, когда они могут приводить к ошибке измерения. Зона однозначного определения дальности радара может определяться с использованием формулы:

R unamb = RPT - τ ∙ c 0 2

Численное значение используемого периода повторения импульсов (PRT) радара исключительно важно при определении максимального расстояния, так как время возврата от цели, которое превышает PRT системы радара, проявляется при неправильных положениях (расстояниях) на экране радара. Отражения, которые появляются при этих «неправильных» расстояниях, рассматриваются как вторичные эхо-сигналы во времени. Кроме проблемы зоны однозначного определения дальности удаленных целей (объектов), существует и проблема обнаружения объектов на минимальном расстоянии от радара. Известно, что когда передний фронт эхо-импульса попадает внутрь импульса передачи, невозможно точно определить время «кругового» прохода. Минимальное обнаруживаемое расстояние (R min ) зависит от импульса передатчиков при τ и времени восстановления мультиплексора t recovery следующим образом:

R unamb = τ - t recovery ∙ c 0 2

Поскольку приемник радара не воспринимает сигнал до момента окончания импульса передачи, необходимо отключить его от передатчика во время передачи для исключения повреждения. В этом случае импульс «эхо» приходит от очень близкой цели. Следует иметь в виду, что цели на расстоянии от радара, эквивалентном длительности импульса, не обнаруживаются. Например, типовое значение для длительности импульса в 1 мкс для радара обычно соответствует минимальному определяемому расстоянию в 150 м, что, в общем, приемлемо. Однако радары с «длинным» импульсом имеют недостаток относительно минимального расстояния, в частности радары с сжатием импульса, которые могут использовать длительности импульса порядка десятков и даже сотен микросекунд. Типовая длительность импульса τ обычно составляет: – радар ПВО: до 800 мкс (минимальное расстояние 120 км); – радар воздушного наблюдения гражданского аэропорта 1,5 мкс (минимальное расстояние 250 м); – бортовой радар обнаружения перемещения объекта по поверхности: 100 нс (минимальное расстояние 25 м). Определение направления движения цели (объекта) – еще одна из важных функций радара.

Специалисты по радарам часто используют такой термин, как **азимут** – направление на цель, которое определяется направленностью антенны радара. Направленность, иногда называемая «коэффициент усиления антенны в заданном направлении», – это способность антенны концентрировать передаваемую энергию в одном конкретном направлении. Соответственно такая антенна с высокой направленностью называется направленной антенной. Путем измерения направления, в котором направляется антенна при приеме эха можно определять координаты цели. Точность угловых измерений обычно определяется направленностью, которая является определенной функцией геометрического размера антенны. «Истинный» пеленг цели радара – это угол между истинным направлением на север и некоторой условной линией, указывающей направление на цель. Этот угол обычно измеряется в горизонтальной плоскости и по часовой стрелке от направления на север. Угол азимута на цель радара может также измеряться по часовой стрелке от центральной линии несущего радара корабля или самолета и называется в этом случае относительным азимутом. В частности, быстрая и точная передача информации по азимуту между поворотным столом радара со смонтированной антенной на нем и информационными экранами имеет важное практическое значение для различных серво-систем современных РЭА. Эти серво-системы используются в более старых антеннах классических радаров и пусковых установках баллистических ракет и работают с помощью приборов типа сельсин-датчиков с вращательным моментом и сельсин-приемников с вращательным моментом. При каждом вращении антенны кодирующее устройство посылает множество импульсов, они затем подсчитываются в индикаторах. Некоторые радары работают без (или с частичным) механическим перемещением. Радары первой группы используют электронное сканирование фазы по азимуту и/или по возвышению (антенны с фазированной антенной решеткой).

Угол возвышения цели

Угол возвышения – это угол между горизонтальной плоскостью и линией видимости, измеренный в вертикальной плоскости. Угол возвышения обычно описывается с помощью символа буквы ε. Угол возвышения всегда положителен выше горизонта (угол возвышения 0), а отрицателен ниже горизонта (рис 4.).

Очень важный для пользователей радара параметр – высота цели над поверхностью земли (альтитуда), что обозначается обычно буквой Н. Истинной альтитудой считается фактическое расстояние над уровнем моря (рис. 5.а). Альтитуда может рассчитываться с помощью расстояния R и угла возвышения ε, как показано на рис. 5.б., где:

• R – наклонное расстояние до цели
• ε – измеренный угол возвышения
• r e – эквивалентный радиус по земле

Однако на практике, как известно, распространение электромагнитных волн также подвергается эффекту рефракции (передаваемый луч радара не является прямой линией стороны этого треугольника, он изгибается), и величина отклонения от прямой линии зависит от следующих основных факторов: – передаваемой длины волны; – барометрического давления атмосферы; – температуры воздуха и – атмосферной влажности. Точность определения цели – это степень соответствия между оцениваемым и фактически измеренным положением и/или скоростью цели в данный момент времени и ее фактическим положением (или скоростью). Точность радионавигационных характеристик обычно представляется в виде заданной статистической меры «системной ошибки». Следует сказать, что установленная величина требуемой точности представляет неопределенность регистрируемой величины относительно истинной величины и фактически показывает интервал, в котором лежит истинная величина при установленной вероятности. Обычно рекомендуемый уровень этой вероятности составляет 9–10%, что соответствует примерно двум стандартным отклонениям среднего для нормального гауссового распределения измеряемой переменной. Любое остаточное смещение должно быть малым в сравнении с установленным требованием к точности. Истинное значение – это такая величина, которая при рабочих условиях характеризует точно переменную, которая должна измеряться или наблюдаться на требуемом характеристическом интервале времени, области и/или объеме. Точность не должна «конфликтовать» с еще одним важным параметром – разрешением радара.

Усиление антенны радара

Обычно этот параметр радара является известной величиной и приводится в его спецификации. Фактически это характеристика способности антенны фокусировать выходящую энергию в направленном луче. Его численное значение определяется очень простым соотношением:

G = максимальная интенсивность излучения средняя интенсивность излучения

Этот параметр (усиление антенны) описывает степень, в которой антенна концентрирует электромагнитную энергию в узком угловом луче. Два параметра, связанных с усилением антенны, – это коэффициент усиления антенны в заданном направлении и направленность. Усиление антенны служит в качестве критерия качества относительно изотропного источника с направленностью изотропной антенны, равной 1. Мощность, принимаемая от заданной цели, напрямую связана с квадратом усиления антенны, когда эта антенна используется как для передачи, так и для приема. Этот параметр характеризирует коэффициент усиления антенны – коэффициент увеличения передаваемой мощности в одном нужном направлении. Можно отметить, что в этом отношении эталоном является «изотропная» антенна, которая одинаково передает мощность сигнала в любом произвольном направлении (рис. 6).

Например, если сфокусированный луч имеет мощность в 50 раз больше, чем у равнонаправленной антенны с такой же мощностью передатчика, то направленная антенна имеет усиление 50 (17 децибел).

Апертура антенны

Как было отмечено выше, обычно в простейших радарах одна и та же антенна используется во время передачи и приема. В случае передачи вся энергия будет обрабатываться антенной. В случае приема антенна имеет то же усиление, но антенна принимает только часть поступающей энергии. Параметр «апертура» антенны в общем случае описывает то, насколько хорошо эта антенна может принимать мощность от поступающей электромагнитной волны.

При использовании антенны в качестве принимающей сигнал апертура антенны может для упрощения понимания представляться как площадь круга, построенного перпендикулярно поступающему излучению, когда все излучение, проходящее в пределах круга, выдается антенной в согласованную нагрузку. Таким образом, плотность поступающей мощности (Вт/м2) × апертуру (м2) = поступающая мощность от антенны (Вт). Очевидно, что усиление антенны прямо пропорционально апертуре. Изотропная антенна обычно имеет апертуру λ2/4π. Антенна с усилением G имеет апертуру Gλ2/4π.

Размеры проектируемой антенны зависят от ее требуемого усиления G и/или используемой длины волны λ в виде выражения частоты передатчика радара. Чем выше частота, тем меньше антенна (или выше усиление при равных размерах).

Большие «тарелкообразные» антенны радара имеют апертуру, почти равную ее физической площади, и усиление, как правило, от 32 до 40 дБ. Изменение качества антенны (нерегулярность антенны, деформации или обычный образовавшийся на ее поверхности лед) имеет очень большое влияние на усиление.

Шумы и эхо-сигналы

Минимально различимый эхо-сигнал определяется как мощность полезного эхосигнала на приемной антенне, который дает на экране различимую отметку цели. Минимально различимый сигнал на входе приемника обеспечивает максимальное расстояние обнаружения для радара. Для каждого приемника имеется определенная величина мощности приема, при которой приемник может работать вообще. Эта наименьшая рабочая принимаемая мощность часто обозначается MDS (минимально различимый сигнал). Типовые значения MDS для радара лежат в диапазоне от 104 до 113 дБ. Численные значения величины максимальной дальности определения цели можно определить из выражения:

R max = P tx ∙ G 2 ∙ λ 2 ∙ σ t 4π 3 ∙ P MDS ∙ L S 4

Термин «шум» также широко используется разработчиками и пользователями радиолокационной техники. Численное значение MDS зависит в первую очередь от отношения сигнал/шум, определяемого как отношение энергии полезного сигнала к энергии шума. Все радары, так как они являются полностью электронным оборудованием, должны уверенно работать в присутствии определенного уровня шума. Основной источник шума называется тепловым шумом, и он вызывается тепловым движением электронов.

В общем случае все виды шумов можно разделить на две большие группы: внешний атмосферный или космический шум и внутренний (шум приемника – вырабатываемый внутри в приемнике радара). Общая (интегральная) чувствительность приемника во многом зависит от уровня собственного шума приемника радара. Приемник с низким уровнем собственного шума, как правило, разрабатывается с использованием специальных конструкцией и компонентов, которые расположены в самом начале тракта. Проектирование приемника с очень низкой шумовой характеристикой достигается за счет минимизации коэффициента шума в самом первом его блоке. Этот компонент, как правило, характеризуется низкой шумовой характеристикой с большим усилением. По этой причине он обычно и называется «малошумящий предусилитель» (Low noise preamplifier – LNA).

Ложная тревога – это «ошибочное решение по обнаружению цели радаром, вызванное шумом или другими мешающими сигналами, превосходящими порог обнаружения». Проще говоря, это указание наличия цели радаром, когда реальной цели нет. Интенсивность ложных сигналов (FAR) рассчитывается с использованием следующей формулы:

FAR = количество ложных целей число ячеек диапазона

Поэтому используется еще один параметр – вероятность обнаружения цели, который определяется следующим образом:

P D = обнаружение цели все возможные метки цели ∙ 100 %

Классификация радиолокационных устройств

В зависимости от выполняемой функции радиолокационные устройства (РЛУ) классифицируются следующим образом (рис. 7) .

Можно выделить сразу две большие группы РЛУ, отличающиеся типом (видом) используемого устройства отображения конечной информации. Это РЛУ с формированием изображения и РЛУ без формирования изображения. РЛУ с построением изображения формирует картину наблюдаемого объекта или области. Они обычно применяются для построения карты земной поверхности, других планет, астероидов, других небесных тел и для распределения по категориям целей для военных систем.

Радары без построения изображения производят измерения обычно только в линейном одномерном представлении изображения. Типичными представителями системы радара без построения изображения являются измерители скорости и радарные измерители высоты. Они также называются измерителями на отражении, так как они измеряют свойства отражения объекта или области, которые наблюдаются. Примеры вторичных радаров без построения изображения – противоугонные системы в автомобилях, системы защиты помещений и др.

Все разновидности РЛУ в зарубежной литературе разделяются на две большие группы «Primary Radars» (первичные радары) и «Secondary Radars» (вторичные радары). Рассмотрим их отличия, особенности организации и применения, используя ниже терминологию основного используемого источника.

Первичные радары (Primary Radars)

Первичный радар сам формирует и передает высокочастотные сигналы, которые отражаются от целей. Возникшие эхо-сигналы принимаются и оцениваются. В отличие от вторичного радара, первичный радар излучает и принимает свой собственный излученный сигнал снова в виде эха. Иногда первичный радар бывает оснащен дополнительным устройством запроса, которым снабжены вторичные радары, для комбинации преимуществ обеих систем. В свою очередь, Primary Radars разделены на две большие группы – импульсные (Pulses Radars) и волновые (Continuous Wave). Импульсный радар формирует и передает высокочастотный импульсный сигнал высокой мощности. После этого импульсного сигнала следует более длинный временной перерыв, при котором может быть принят эхо сигнал, перед тем как отправляется следующий сигнал. В результате обработки можно определить направление, расстояние и иногда, при необходимости, высоту или высоту над уровнем моря цели исходя из зафиксированного положения антенны и времени распространения импульсного сигнала. Эти классические радары передают очень короткие импульсы (для получения хорошего разрешения по расстоянию) с предельно высокой мощностью импульса (для получения максимального расстояния распознавания цели). В свою очередь все импульсные радары можно разбить также на две большие группы. Первую из них составляют импульсные радары с использованием метода сжатия импульсов. Эти радары передают относительно слабый по мощности импульс с большой длительностью. Отмодулирует передающийся сигнал для получения разрешения по расстоянию также в пределах передающегося импульса с помощью методики сжатия импульса. Далее различают моностатические и бистатические радары, представляющие вторую группу. Первые разворачиваются на одном месте, передатчик и приемник располагаются совместно и радар в основном использует одну и ту же антенну для приема и передачи.

Бистатические радары состоят из разделенных мест расположения приемника и передатчика (на значительном расстоянии).

Вторичные радары (Secondary Radars)

Так называемый вторичный радар отличается тем, что использующий его объект, например самолет, должен иметь собственный ретранслятор (передающий ретранслятор) на борту и этот ретранслятор отзывается на запрос путем передачи кодированного сигнала отзыва. Этот отклик может содержать значительно больше информации, чем может получить первичный радар (например, высота, код идентификации или также любые технические проблемы на борту, такие как потери радиосвязи).

Радары непрерывной волны (CW-радары) передают непрерывно высокочастотный сигнал. Эхо-сигнал также принимается и обрабатывается непрерывно. Передаваемый сигнал этого радара постоянен по амплитуде и частоте. Этот вид радаров обычно специализируется на измерении скорости движения различных объектов. Например, это оборудование используется для измерителей скорости. CW-радар, передающий немодулированную мощность, может измерять скорость с использованием доплеровского эффекта, при этом он не может измерять расстояние до объекта.

CW-радары имеют тот основной недостаток, что они не могут измерять расстояние. Для устранения этой проблемы может использоваться метод частотного сдвига.

Классификация и принципиальные особенности военных радаров

Все многообразие радаров можно разделить на типы на основе сфер их использования.

Радары ПВО могут обнаруживать воздушные цели и определять их положение, курс и скорость в относительно большом пространстве. Максимальное расстояние для радаров ПВО может превышать 500 км, и покрытие по азимуту составляет полный круг в 360 градусов. Радары ПВО обычно делятся на две категории в зависимости от объема передаваемой информации о положении цели. Радары, которые выдают только информацию о расстоянии и азимуте, называются двумерными, или 2D радарами. Радары, которые выдают расстояние, азимут и высоту, называются трехмерными или 3D радарами.

Радары ПВО используются как устройства раннего предупреждения, так как они могут обнаруживать приближение самолета противника или ракет на больших расстояниях. В случае атаки раннее предупреждение о противнике важно для организации успешной обороны от атаки. Защита от авиации в виде противовоздушной артиллерии, ракет или истребителей должна иметь высокую степень готовности во времени для отражения атаки. Информация о расстоянии и азимуте, даваемая радарами ПВО, предназначена для начального озиционирования радаров, отслеживания и управления огнем по цели.

Другая функция радара ПВО – направление боевого патрулирующего самолета к положению, пригодному для перехвата самолета противника. В случае управления самолетом информация по направлению движения цели получается оператором радара и передается на самолет либо голосом пилоту по радиоканалу, либо по компьютерной линии.

Основные применения радаров ПВО:

• раннее предупреждение на большом расстоянии (включая раннее предупреждение о воздушной цели)
• захват цели и предупреждение о баллистической ракете
• определение высоты цели

Применение радара

Радар применяется как в военных, так и в гражданских целях. Наиболее распространенное применение в гражданских целях - это помощь в навигации для морских и воздушных судов. РЛС, установленные на судах или в аэропорту, собирают информацию о других объектах, чтобы предотвратить возможные столкновения. На море собирается информация о буях, скалах и т.д. В воздухе РЛС помогают заходить на посадку воздушным судам, в условиях плохой видимости или неисправности. Также радары используются в метеорологии, при прогнозировании погодных условий. Синоптики, как правило, используют их в сочетании с лидаром (оптическим радаром) для изучения штормов, ураганов и других погодных катаклизмов. Доплеровский радар основывается на принципе эффекта Доплера – т. е. изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника). Анализируя изменения частоты отраженных радиоволн, доплеровский радар может отслеживать движение штормов и развитие торнадо.

Ученые используют радары, чтобы отслеживать миграцию птиц и насекомых, определять расстояние до планет. Потому как он может показать в каком направлении и как быстро движется объект, радар используется полицией для определения нарушений скоростного режима. Подобные технологии используются в спорте, например в теннисе, чтобы определить скорость подачи. Радар используют спецслужбы, чтобы сканировать объекты. В военных целях радары, в большей степени, применяют в качестве поиска целей и управления огнем.

Радары сейчас используются довольно широко. Особенно широкое применение они нашли в военной технике – ни один самолет или судно не обходится без радара. Да и наземные радары распространены. На основе их показаний диспетчеры управляют движением и посадки самолетов, они отслеживают появление опасных или подозрительных объектов на суше и на море. На кораблях также есть такое устройство, как эхолот, которое работает по принципу радара, только измеряет глубину под судном.

Современные радары способны обнаружить цель на сотни километров. Созданы целые сети радиолокационных станций, которые постоянно «прощупывают» поверхность Земли с целью обнаружения авиа- и ракетной атаки. И в мирных целях радары тоже применяются – в космической технике и в авиатранспорте, на судах и даже автодорогах.

Открытие радиоволн подарило нам не только радио, телевидение и мобильники, но и способность «видеть» на сотни и тысячи километров в любую погоду, на Земле и в космосе. И, в заключение - просто интересный факт. Так называемые «самолеты-невидимки», созданные по технологии «стеллс», конечно невидимками на самом деле не являются. Для глаза они – обычные самолеты, только необычной формы. А внешняя обшивка такого самолета рассчитана так, чтобы луч радара в любом положении отражался куда угодно, только не обратно к радару. Кроме того, она сделана из специального полимера, поглощающего большую часть радиосигнала. То есть, радар не получит отраженный сигнал от такого самолета, а значит – ничего не нарисует на своем экране. Такая вот война технологий получается.

Обзор некоторых других современных радарных систем

Siemens VDO Automotive с 2003 года предлагает систему, основанную на радарах и видеодатчиках. Для реализации функциональности мониторинга «мертвых зон» и помощи при смене полосы система Siemens VDO использует инсталлируемый на заднем бампере автомобиля двухлучевой радарный датчик на 24 ГГц, который представляет собой и ACU, и датчик как один компонент.

В 2003 году Denso ввела две системы - АКК и систему предотвращения аварий, в обеих используются миллиметровый радар и блок управления (названные vehicle distance ECU для ACC и pre-crash ECU, соответственно).

77-гигагерцовый радар Denso может определять препятствия в горизонтальной плоскости с углом в 20° с точностью в 0,5°. Диапазон детектирования относительной скорости составляет ±200 км/ч (включая обнаружение стационарных объектов), диапазон детектирования расстояния - более 150 м.

Система pre-crash safety system Denso, основанная на радарах, автоматически активирует пассажирские ремни безопасности и тормозную систему автомобиля. Denso разработала эту систему совместно с корпорацией Toyota Motor. В новые автомобили эта система была введена в Японии еще в 2003 году, а в Северной Америке - в 2004 году.

АКК от TRW Automotive включает радарный датчик AC20 на 76 ГГц с цифровой волной FSK, цифровой процессор и контроллер. В радарном датчике с типичным интерфейсом CAN использован модульный дизайн на основе MMIC. Измерения расстояния- в диапазоне 1–200 м с точностью ±5% или 1 м, измерения скорости - в диапазоне ±250 км/ч с точностью ±0,1 км/ч, угловой диапазон измерений ±6° с точностью ±0,3°.

Максимальное замедление при вмешательстве АКК в управление (тормозную систему) ограничено пределом в 0,3 g. Если требуется большее замедление, требуется вмешательство водителя. Необходимое тормозное усилие в системах от TRW может быть также обеспечено электронным усилителем Electronic Booster, VSC/ESP.

СПВ/АКК от TRW могут быть расширены дополнительными датчиками короткого диапазона (<50 м). Скоростной диапазон при этом может быть расширен до 0 км/ч, для осуществления функций, подобных Follow Stop (Follow Stop означает, что в ситуациях затора автомобиль следует за впереди идущей машиной, пока она не остановится, и автоматическую остановку хост-автомобиля, при этом возобновление движения осуществляется по нажатию кнопки водителем, в отличие от Stop&Go). Функциональность АУП и ПНУП осуществляется с дополнительными видеодатчиками. РКД от TRW предназначены также для поддержки других функций СПВ, например, мониторинга «мертвых зон».

Поскольку АКК часто слишком активно вмешиваются в управление, из-за чего многие водители отключают круиз-контроль, радарная система Eaton VORAD (Vehicle Onboard RADar) разработана производителем с целью достичь минимального вмешательства системы в управление и продвигается на рынок в основном как средство помощи для бдительного и добросовестного водителя.

Система Eaton VORAD состоит из четырех основных компонентов: антенной сборки, центрального процессорного блока, водительского дисплея, соединительных жгутов.

Система Eaton VORAD включает основной передний радар для мониторинга транспортных средств во фронтальной области обзора и дополнительные боковые радары для мониторинга «мертвых зон» и других применений. Боковые датчики и боковые сенсорные дисплеи поставляются производителем как опции. Радарные сигналы от работающей системы всегда определяют расстояние между объектами во фронте автомобиля и относительную скорость и служат для предупреждения водителя об опасных ситуациях посредством только визуальных и звуковых сигналов (без воспроизведения видеоданных). Помимо множества стандартных функций, обеспечиваются такие опции, как режим тумана Fog Mode (визуальное предупреждение на дисплее о наличии объектов в пределах 150 метров), регулировка интенсивности дисплея по сигналам от датчика освещения, одновременное слежение до 20 объектов, находящихся впереди, и другие.

Система VORAD также поддерживает два специальных режима- Blind Spotter иSmart Cruise.

В режиме Blind Spotter дополнительный боковой датчик, включающий радарный трансмиттер и ресивер, закрепленный сбоку автомобиля, определяет подвижные или стационарные объекты от 0,3 до 3,7 м в стороне от автомобиля.

В режиме SmartCruise автомобиль поддерживает заданное расстояние до впереди идущего автомобиля.

Компания Delphi представила на автомобильный рынок свою интегрированную радарную 24-гигагерцовую UWB систему парковки Forewarn Back-up Aid system с интерфейсом CAN, предназначенную для осуществления функций помощи при заднем ходе, включая автоматическое торможение при идентификации подвижного или неподвижного препятствия. Принцип работы системы- CW (не доплеровский).

Улучшения включают интегрированный двойной ресивер и визуальный индикатор диапазона. Двойной ресивер позволяет повысить измерительный диапазон до 6 м с типичными скоростями заднего хода в диапазоне 4,8–11,3 км/ч, причем с одновременным расширением области охвата за углами автомобиля.

Компанией Delphi разработаны также и другие системы фронтального и бокового обнаружения объектов. Так, боковой детектор РКД на 24 ГГц в системе Delphi Forewarn Radar Side Alert предупреждает водителя о появлении объектов на соседних полосах в пределах 2,4–4 м. Фронтальная система обнаружения объектов использует многофункциональный РДД, работающий на частоте 77 ГГц, для детектирования и классификации объектов в диапазоне до 150 м. Системы Forewarn Smart Cruise Control, Forward Collision Warning иCollision Mitigation поставляются, например, для новых автомобилей Ford Galaxy и S-MAX.

Для таких применений, как мониторинг «мертвых зон», ПСП, радары 24 ГГц используют также компании Valeo, Raytheon и M/ACOM, Continental и Hella.

Ru-Cyrl 18- tutorial Sypachev S.S. 1989-04-14 [email protected] Stepan Sypachev students

Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик