Принципы радиолокации

Радиолокацией называют особую отрасль радиотехники, задачей которой является обнаружение различных объектов на земле, воде или в воздушном пространстве и определение одной или нескольких их координат. В отличие от оптических, радиолокационные наблюдения возможны независимо от времени суток и атмосферных условий видимости. Максимальная дальность действия радиолокационной аппаратуры в большинстве случаев значительно превышает обычные дистанции оптических наблюдений (за исключением, разумеется, астрономических наблюдений). Совокупность специальных устройств, позволяющих производить радиолокационные наблюдения, называется радиолокационной установкой, или станцией (сокращенно РЛС). Центром системы определяемых координат различных объектов наблюдения всегда является сама РЛС.

Принцип действия всех радиолокационных станций основан на использовании отражения электромагнитных волн объектами наблюдения. Такое явление носит название радиоэхо, и для того, чтобы его обнаруживать, каждая РЛС среди многих частей, выполняющих те или иные специальные функции, обязательно имеет направленно и согласованно действующие мощный радиопередатчик и высокочувствительный радиоприемник.

Для определения направления на отражающие объекты во всех РЛС применяются передающие и приемные (или универсальные) антенны с хорошо выраженной направленностью излучения и приема, а расстояния измеряются с использованием того обстоятельства, что для распространения электромагнитных волн от РЛС до объектов радиолокационного наблюдения требуется затрата хотя и весьма малого, но вполне определенного времени. Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере достаточно постоянна и равна скорости света. Точное значение величины скорости света, по данным 1952 г., составляет 299 792,9 км/сек + 0,8 км/сек, однако без большой погрешности ее можно принять (и в радиолокационных расчетах она обычно принимается) равной 300000 км/сек.

Таким образом, в современной радиолокации используются следующие три свойства радиоволн, составляющие физические основы радиолокационного метода:

1)   способность радиоволн отражаться от проводящих и полупроводящих препятствий, а также диэлектрических неоднородностей на пути распространения;

2)   распространение радиоволн в атмосфере со всегда известной и практически постоянной скоростью и

3)   прямолинейность распространения ультракоротких и сантиметровых радиоволн.

К этому нужно добавить, что антенные системы, применяемые в радиолокационных установках, обычно делаются с весьма высокой направленностью действия, что позволяет определять направления на наблюдаемые радиолокационные цели с точностью до долей градуса.

Существует несколько систем радиолокационного наблюдения, которые могут быть разделены на две основных группы: системы с непрерывным излучением электромагнитных волн, когда и радиопередатчик, и радиоприемник действуют постоянно и одновременно, и импульсные системы, отличающиеся отчетливо выраженными прерывистостью и разновременностью работы передающей и. приемной частей РЛС.

Примером радиолокационного устройства с непрерывным излучением может служить радиоальтиметр, устанавливаемый на самолетах и позволяющий вести наблюдение за истинным расстоянием до земной поверхности по вертикали, которое во многих случаях, в особенности в гористой местности, значительно отличается от высоты полета, определяемой по альтиметру барометрического типа. Радиоальтиметр дает возможность точно измерять фактическую высоту полета над местностью самого сложного рельефа при ее изменениях в пределах от 1 ж до нескольких километров. Быстрые измерения расстояний до значительно удаленных объектов посредством радиолокационных устройств с непрерывным излучением затруднены, и поэтому в тех случаях, когда предполагаемые объекты наблюдения могут находиться на расстояниях от нескольких сотен метров до нескольких сотен километров, строятся РЛС, действующие по импульсному методу. Для аэрологических и метеорологических наблюдений используются именно такие РЛС.

В РЛС импульсного типа радиопередатчик в течение отрезка времени, например порядка 1 мксек, создает так называемый зондирующий импульс — мощную вспышку электромагнитных колебаний, направленно излучаемых в сторону предполагаемого месторасположения объекта наблюдения, после чего передатчик выключается на срок до 1000 мксек и более, а вместо него включается радиоприемник, улавливающий приходящие из облученной части пространства слабые отражения зондирующего импульса от встретившихся на пути его распространения препятствий. При подобном распределении времени действия передатчика и приемника РЛС за каждую секунду может быть послано свыше тысячи зондирующих импульсов.

На выходе радиоприемника включен индикатор, чаще всего в виде электронно-лучевой трубки, на экране которой принимаемые сигналы создают отметки того или иного вида, повторяющиеся с частотой посылки зондирующих импульсов, вследствие чего для глаза наблюдателя они представляются присутствующими на экране непрерывно.

Помимо радиопередатчика и радиоприемника, в РЛС обязательно имеется ряд вспомогательных радиоаппаратов и электромеханических устройств, служащих для обеспечения согласованной периодической работы передатчика и приемника, направленных антенн индикаторов и других частей установки, позволяющих производить не только точное, но и достаточно простое и быстрое определение координат объектов радиолокационного наблюдения. Этими координатами для объектов в воздухе являются азимут (горизонтальный угол, отсчитываемый по часовой стрелке от направления на север), угол места (вертикальный угол, отсчитываемый к зениту от горизонтального направления) и наклонная дальность. Для определения расположения объектов радиолокационного наблюдения, находящихся на земле или на водной поверхности, достаточно знать только две координаты, которыми являются азимут и дальность.

Угловые координаты в радиолокации определяются посредством приемов пеленгования, общие методы которого изложены в гл. IX. Пеленгование осуществляется в большинстве РЛС гораздо точнее, чем в навигационных пеленгаторных установках, так как для более коротких волн, используемых в радиолокации, могут быть построены антенны с повышенной направленностью действия, а постоянство мощности и регулярность повторения зондирующих импульсов улучшают условия определения точных пеленгов по индикаторам.

Определение дальности в РЛС импульсного типа производится по времени, которое требуется для распространения зондирующего импульса до объекта наблюдения и обратного пробега, возникающего при отражении импульса вторичного излучения (радиоэхо). Самый процесс отражения совершается практически без затраты какого-то дополнительного времени.

В связи с большой скоростью распространения электромагнитных волн отрезки времени, которые приходится измерять при определении дальности, имеют порядок миллионных и десятимиллионных долей секунды. Столь малые промежутки времени могут быть измерены только с помощью электронноламповых устройств, имеющих в качестве выходного показывающего прибора электронно-лучевую трубку. Применение электронно-лучевой трубки для точных измерений расстояний, пропорциональных весьма малым отрезкам времени, часто производится, например, по следующей схеме. На горизонтально отклоняющие пластины трубки с электростатическим управлением электронным лучом при каждой посылке зондирующего импульса подается линейно изменяющееся напряжение, смещающее зайчик на экране трубки по горизонтали с заранее известной постоянной скоростью. На вертикально отклоняющие пластины при этом с выхода радиоприемника подаются импульсы напряжения, создаваемые приходящими из облучаемого пространства отражениями зондирующих импульсов от различных объектов наблюдения. В результате всего на горизонтальной линии развертки появятся вертикальные выбросы, расстояния которых от начала развертки будут пропорциональными удалениям соответствующих объектов от РЛС.

Если, например, линия развертки имеет длину 100 мм, а прочерчивается она с помощью линейно нарастающего за 100 микросекунд (мксек) развертывающего напряжения, то такая линия развертки может служить либо масштабом времени, либо масштабом расстояний. Каждому миллиметру длины этой линии развертки соответствует 1 мксек, или расстояние в 150 м, потому что при импульсном радиолокационном методе электромагнитная волна, используемая как сигнал об измеренном расстоянии до отражающего объекта, должна пробежать это расстояние дважды.

Зависимость дальности D в метрах от времени t в секундах прямого и обратного пробегов электромагнитных волн между РЛС и объектом наблюдения выражается формулой

Принципы радиолокации

где с — скорость света в м/сек.

Пользуясь этой формулой, проверим, правильно ли выше было указано, что отрезку времени длительностью в 1 мксек соответствует дальность 150 м. Подставив соответствующие значения величин в правую часть формулы, находим

Принципы радиолокации

На основе пропорциональности D и t составлена табл. 12, являющаяся основной для измерения дальности с помощью РЛС импульсного типа:

Таблица 1

Принципы радиолокации

 

Во многих случаях практики точность определения дальности, особенно на больших расстояниях, является несущественной. Так, например, самолет, обнаруженный на расстоянии 50 км или 50 км 300 м, — это практически одно и то же. Однако точность определения дальности должна быть повышена, если РЛС используется, например, для аэрологических ветровых наблюдений. Здесь погрешность подобного порядка в определениях дальности поднимаемой шаром, аэрологической мишени сделает расчет скоростей ветра по высотам столь неточным, что практическая ценность результатов такого ветрового зондирования асмосферы будет близкой к нулю. Поэтому РЛС, используемые для аэрологических измерений, должны обеспечивать измерение дальности с точностью, не меньшей, чем 20—25 м, что и достигается применением сильно растянутых разверток в сочетании с потенциометрами точных определений дальности (подробнее об этом см. на стр. 249).

В настоящее время известно большое количество разновидностей РЛС, отличающихся друг от друга основными параметрами, конструктивными формами и назначением.

Основными параметрами РЛС импульсного типа являются минимальная и максимальная дальности обнаружения наблюдаемых объектов, мощность в импульсе и средняя потребляемая мощность, частота посылок импульсов и их длительность, длина волны, ширина диаграммы направленности (так называемый „угол раствора", или просто „раствор") передающей и приемной антенн и др. Важными являются также габаритновесовые характеристики частей установки и установки в целом.

Конструктивное оформление радиолокационных станций в значительной степени определяется их назначением. Так, самолетные радиолокаторы целесообразно выполнять состоящими из ряда соединяемых многожильными кабелями самостоятельных небольших блоков, которые могут быть экономно распределены в ограниченном объеме кабины самолета, не создавая ее излишнего загромождения, а радиолокаторы для морских судов, наоборот, удобнее иметь в виде монолитных установок с минимальным количеством разъемных кабельных соединений между отдельными участками общей схемы. Однако и радиолокаторы одинакового назначения так же, как, например, обычные радиоприемники или телевизоры, могут иметь различные конструктивные формы, определяемые их принципиальной схемой, примененными деталями и выбором того или иного взаиморасположения отдельных частей всего устройства.

По назначению современные РЛС разделяются на станции обнаружения и станции точного определения координат. Станции обнаружения имеют своей главной задачей в возможно более короткий срок определять появление новых объектов наблюдения в контролируемой зоне, причем некоторые координаты этих объектов допустимо определять лишь грубо ориентировочно.

В метеорологии и аэрологии применяются главным образом станции, позволяющие не только обнаруживать объекты наблюдений, но и с возможно большей точностью определять их координаты в воздушном пространстве. Лишь для облачных наблюдений применимы станции с невысокой точностью измерения углов.

Поскольку определение угловых координат в радиолокации осуществляется методами пеленгования, антенны РЛС должны обладать повышенной остротой направленности действия. Это достигается применением многовибраторных антенн, либо антенн типа „волновой канал", либо, наконец, сочетаниями излучателей различных видов с параболическими отражателями.

В технике сверхвысоких частот, помимо обычных вибраторов, применяются также излучатели электромагнитных волн, действие которых основано на возбуждении мощных токов- смещения в объеме высококачественного диэлектрика призматической формы или в районе щели, прорезанной в объемном резонаторе (также в волноводе) либо в рупорном раструбе специального вида, присоединяемом к открытому концу волновода. Такие сверхвысокочастотные излучатели называются- соответственно диэлектрической, щелевой и рупорной антеннами. Так же, как обычные вибраторы, все эти антенны обладают свойством обратимости, и их диаграммы направленного излучения одновременно являются диаграммами чувствительности к принимаемым сигналам, приходящим по разным направлениям.

В большинстве современных радиолокационных станций применяются антенны с обычными проводящими вибраторами и щелевые или рупорные излучатели в сочетании с параболическими отражателями. Направленные антенны радиолокаторов позволяют производить облучение контролируемых областей воздушного пространства подобно тому, как в ночной темноте осуществляется поиск интересующих объектов лучом прожектора. Если луч прожектора сделать чрезмерно узким, последовательное освещение всех участков зоны обзора потребует очень большой траты времени, так же, как много лишнего времени потребовалось бы, например, для того, чтобы побелку комнаты произвести акварельной кисточкой. Поэтому при выборе степени направленности действия радиолокационных антенн учитывают, что наблюдения должны быть не только точными, но и выполняться они должны достаточно надежно и быстро, без больших потерь времени на поиски объектов наблюдения. Так называемые „игольчатые" диаграммы направленности применяются сравнительно редко, хотя и существуют направленные антенны с углом раствора, выражаемым в долях градуса.

Иногда применяют „веерные" или „ножевидные“ диаграммы с угловыми размерами в вертикальной плоскости порядка 10° и в горизонтальной до 0°,5. Диаграммы направленности радиолокационных антенн в горизонтальной плоскости имеют в большинстве случаев характерный вид, показанный на рис. 93 а. Помимо основного направления, определяемого- главным лепестком диаграммы, имеется несколько боковых лепестков, обычно расположенных симметрично и определяющих наличие побочного излучения или чувствительности в побочных направлениях, если антенна используется как приемная. У антенн, не имеющих сплошного параболического или цилиндрического отражателя, кроме боковых, имеются еще и отчетливо выраженные задние лепестки.

Характерный вид диаграммы направленности- радиолокационных антенн в вертикальной плоскости представлен на рис. 93 б. В этом случае в образовании диаграммы направленности принимают участие не только лучи, распространяющиеся прямо от антенны, но и лучи, отразившиеся от поверхности земли в непосредственной близости от радиолокатора. Если речь будет идти о выполнении антенной приемных функций, то диаграмма ее чувствительности подобного вида определяется приходом прямых лучей одновременно с отразившимися от поверхности земли параллельно пришедшими лучами, вследствие чего в пространстве вблизи антенны возникает интерференционное поле. Необходимо иметь в виду при этом, что отражение от земли вертикально поляризованных лучей совершается в фазе, а лучей с горизонтальной поляризацией— с поворотом фазы на 180°.

Принципы радиолокации

Рис. 93. Диаграммы излучения и чувствительности радиолокационных антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

 

Определение горизонтальных направлений на отражающий объект можно производить по максимуму отраженного сигнала, используя остроту направленности приемной антенны, что и применяется иногда в станциях дальнего обнаружения. Точность в лучшем случае составляет величину до 8°. С большей точностью (до 2°) азимут определяется методом „вилки“, когда антенну отводят в одну сторону от направления на цель до почти полного пропадания отраженного сигнала, а затем таким же образом в другую. Азимут находят, взяв среднее арифметическое из двух отсчетов, которые должны быть сделаны в симметричных относительно направления на объект положениях антенны, соответствующих моментам резкого уменьшения отметок отраженных сигналов. В отдельных конструкциях РЛС точность определения азимута по максимуму доведена до 1°.

Наибольшая точность в определении углов достигается с использованием метода равносигнальной зоны, описанного в гл. IX, причем известно несколько различных вариантов технического осуществления этого метода в радиолокационных станциях метрового и сантиметрового диапазонов.

Одной из разновидностей способа равносигнальной зоны является так называемая „коническая развертка", применяемая при автоматическом сопровождении цели. Диаграмма направленности антенны станции, работающей по этому принципу, непрерывно вращается, делая 25 оборотов в секунду, причем главный максимум диаграммы движется в пространстве по образующим достаточно острого конуса. Ось этого конуса, являющуюся осью вращения диаграммы, делают совпадающей с радиусом-вектором главного лепестка направленности, равным 80% максимального.

Вращение диаграммы приводит к тому, что импульсы, отражаемые объектом радиолокационного наблюдения (целью), остаются постоянными по величине только в том случае, если цель находится точно в направлении оси вращения. При отклонении отражающего объекта от этого направления в какую-либо сторону амплитуды импульсы будут изменяться в такт с частотой вращения диаграммы, причем глубина изменений будет расти с увеличением отклонения. Эти изменения называются сигналом ошибки.

Для образования управляющего напряжения, величина и фаза которого определялись бы величиной и направлением отклонения цели, в систему вводят „генератор опорных напряжений" (ГОН). Этот генератор имеет ротор, вращающийся синхронно с диаграммой направленности антенны и создающий два равных, но сдвинутых по фазе друг против друга на 90° опорных напряжения переменного тока. Одно из напряжений достигает положительного максимума в моменты максимального отклонения диаграммы направленности антенны по вертикали к зениту. Это напряжение называется опорным по углу места. Второе напряжение называется опорным по азимуту, и его положительный максимум делают совпадающим с наибольшим отклонением диаграммы вправо.

При таком устройстве любое отклонение цели в сторону от оси конуса, описываемого максимумом диаграммы направленности антенны, будет создавать однозначный сдвиг фаз огибающей принимаемых отраженных импульсов относительно опорных напряжений, причем амплитуда огибающей будет прямо пропорциональна отклонению.

Специальная схема преобразует переменные суммарные напряжения, получаемые при сложении сигнала ошибки с опорными напряжениями, в постоянные э. д. с., используемые далее для управления антенной по азимуту и углу места. Механизмы управления устроены и действуют таким образом, чтобы при появлении сигнала ошибки антенна поворачивалась в сторону его уменьшения, чем и обеспечивается постоянная автоматическая наводка РЛС на выбранную сопровождаемую цель.

Принципы радиолокации

Рис. 94. Сущность фазового метода.

 

В некоторых системах РЛС определение угловых координат производится с помощью так называемого фазового метода, при котором вышеописанного вращения диаграммы направленности не требуется.

Для уяснения сущности фазового метода обратимся к рис. 94. Фидеры двух азимутальных полуволновых вибраторов, расположенных вдоль одной линии, включены навстречу друг другу, и, когда сигналы приходят в направлении, перпендикулярном к линии расположения вибраторов, наведенные ими э. д. с. взаимно уничтожаются, и к антенному переключателю поступает результирующее напряжение обоих вибраторов, равное нулю. Если же сигналы приходят по направлениям, отличающимся от перпендикулярного, э. д. с. в фидерах правого и левого азимутальных вибраторов перестанут компенсировать друг друга, и к антенному переключателю будет подаваться какая-то разностная э. д. с.

С помощью антенного переключателя эта э. д. с. приблизительно 25 раз в секунду добавляется то в фазе, то в противофазе к э. д. с. антенны дальности, после чего суммарные э. д. с. через приемник воздействуют на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки индикатора азимута. В такт с переключениями на горизонтально отклоняющие пластины этой трубки подаются небольшие постоянные напряжения, позволяющие видеть отметки, создаваемые всеми включениями в фазе и всеми включениями в противофазе в виде двух рядом расположенных вертикальных параллельных линий, высоты которых будут равными между собой только при точном совмещении перпендикуляра к линии антенн азимута с направлением приходящих сигналов. При малейшем отклонении антенн влево левый столбик сделается заметно выше, а правый уменьшится, а при отклонениях вправо равенство будет нарушаться в другую сторону. После того как поворачиванием азимутальных антенн обе отметки выравнены, можно производить отсчет пеленга по азимуту, пользуясь азимутальным лимбом.

Для пеленгования вертикальных углов фазовый метод применяют с использованием гониометра. Приходящие от объекта наблюдения отраженные сигналы, направлением которых по вертикали определяется угол места, воздействуют на две параллельных антенны угла места, расположенные в одной вертикальной плоскости на разной высоте над землей и питающие наведенными э. д. с. каждая свою статорную катушку гониометра (см. рис. 94).

Поворачивая роторную катушку, всегда можно найти такое ее положение, при котором наведенная результирующим полем обеих статорных катушек э. д. с. будет равна нулю, причем каждому углу места будет соответствовать свое положение роторной катушки. Таким образом, разные углы места можно определять по заранее сделанной градуировке всех возможных позиций роторной катушки гониометра, соответствующих нулевым значениям наведенных в ней результирующих э. д. с. Выявление таких позиций роторной катушки осуществляется путем сложения ее э. д. с. в фазе и в противофазе с э. д. с. антенны дальности, производимого точно таким же образом, как это делается для азимутальных антенн.

Для указанной дели устраивают отдельный индикатор угла места на выходе приемника, а в антенный переключатель добавляют соответственным образом расположенную группу переключающих контактов.

Наклонная дальность во всех радиолокационных станциях импульсного типа определяется по суммарному времени пробега зондирующего и отраженного импульсов, но при этом в употребление вошли два принципиально отличающихся способа измерения расстояний: уже описанный ранее способ определения их по длине линии развертки между отметками зондирующего импульса и отражаемого сигнала и способ потенциометра. Существует множество вариантов систем развертки, когда электронный луч заставляют прочерчивать на экране индикатора дальности неподвижную прямую линию по диаметру, либо совершающую медленное круговое движение радиальную линию, либо, наконец, с целью удлинения пути луча по экрану (для укрупнения делений масштаба дальности) его заставляют двигаться по окружности диаметра, предельно допускаемого экраном трубки, или даже придают линии развертки форму архимедовой спирали. Во всех этих случаях масштабные деления будут тем крупнее, чем больше диаметр экрана индикаторной электронно-лучевой трубки.

При способе потенциометра размеры экрана индикатора утрачивают свое решающее значение для масштаба расстояний, переставая его ограничивать, поскольку на экране воспроизводится лишь небольшой участок общей длины линии развертки. При этом способе на пластины развертки индикаторной трубки подается, например, развертывающее напряжение, в 10 раз превышающее по величине то, которое требуется для смещения луча через весь экран. Если навстречу меняющемуся напряжению развертки включить постоянное напряжение, снимаемое со специального потенциометра, то, регулируя положение его движка, можно выводить на экран трубки любой участок общей линии развертки и, таким образом, при индикаторной трубке с диаметром экрана, например, 70 мм можно получать укрупненные масштабы расстояний, соответствующие 700-миллиметровому экрану и, следовательно, допускающие более точные измерения. Шкала расстояний в этом случае наносится на потенциометре, по движку (ползунку) которого и производятся необходимые отсчеты.

Для того чтобы произвести определение расстояния, отметку, создаваемую объектом наблюдения, выводят в центр индикатора, перемещая ползунок потенциометра, после чего делают отсчет по шкале ползунка. В целях общего контроля за взаиморасположением нескольких отражающих объектов потенциометрический индикатор дальности обычно дополняют „грубым" индикатором дальности, на экране которого в уменьшенном масштабе вся линия развертки видна целиком. Грубый индикатор дальности существенно облегчает пользование потенциометром, позволяя быстро и безошибочно находить нужные отметки отраженных сигналов в тех случаях, когда в облучаемой зоне находится одновременно несколько отражающих объектов.

Принципы радиолокации

Рис. 95. Отметчики РЛС разных типов.

 

Стремление повысить точность действия и удобство пользования радиолокационными станциями различных назначений привело к разработке индикаторов многих систем. Простейшими и в то же время наиболее распространенными являются индикаторы дальности уже упоминавшегося типа, шкала расстояний которых представляет собою диаметральную линию развертки. Эти индикаторы называются отметчиками типа А (рис. 95). Для них обычно используются трубки с электростатическим отклонением луча.

К отметчикам типа А примыкают отметчики типов I, К и индикатор со спиральной разверткой. Все они служат в основном лишь для определения дальности, хотя по амплитуде отраженных сигналов можно приблизительно устанавливать и  азимутальные направления на объекты наблюдений, сопоставляя их с положениями антенны, обеспечивающими максимум величины отметок.

В отметчике типа К особенностью являются сдвоенные отметки, создаваемые так же, как на простейших индикаторах угловых координат, добавками небольших ступенек напряжения, синхронных с переключениями антенн в фазе и противофазе. Это придает отметчику типа К универсальность, поскольку, помимо дальности, с его помощью определяются также и азимуты (по выравниванию пары отметок отражения), причем с должной точностью.

Для отметчиков типа В и G используются трубки с магнитным отклонением и яркостной модуляцией электронного луча. Система развертки отметчика типа В — вертикальнострочная со смещением строк по горизонтали, связанным с азимутальным направлением антенны на отражающий объект. Отраженные сигналы „высвечивают" пятнышко, высота которого под линией зондирующих импульсов соответствует дальности, а отклонение от вертикальной линии — отклонениям от азимута. Для точного определения азимута пятно совмещают со средней вертикальной линией, поворачивая антенну.

В отметчиках типа G, устроенных аналогичным образом, на невидимом растре горизонтальной и вертикальной разверток высвечиваются отметки, положение которых относительно центра системы координат позволяет судить об азимутах и углах места объектов наблюдений. По существу дела, эта система развертки похожа на последовательно-строчную развертку, применяемую в телевидении.

Наиболее наглядное представление об отражающих объектах и об их взаиморасположении дает отметчик типа Р. Для него применяют трубки с магнитным отклонением и яркостной модуляцией электронного луча, обладающие экранами с большим послесвечением. Система развертки здесь радиально круговая, благодаря чему при равномерном круговом движении антенны радиолокатора на экране воспроизводится как бы участок географической карты облучаемой местности, в центре которого находятся сам радиолокатор и расположенные поблизости местные предметы. Азимут определяется по направлению радиуса на отметку, создаваемую избранным объектом наблюдения, а дальность — по расстоянию этой отметки от центра. Для определения углов места применяются отдельные индикаторы, так же, как с помощью дополнительных индикаторов, производится и уточненное измерение дальностей, поскольку точность измерения дальностей по индикатору типа Р всегда ниже, чем при других способах.

Помимо описанных основных типов отметчиков РЛС, существует большое количество различных их вариантов и сочетаний, однако необходимо отметить, что в гидрометслужбе до последнего времени применяются лишь индикаторы типов А, К и Р.

Четкость отметок, создаваемых принятыми отраженными сигналами на индикаторах радиолокационных станций, зависит от мощности и формы зондирующих ипмульсов, от свойств отражающего объекта, его величины, очертаний и ориентировки, а также от расстояния до РЛС. Наиболее четкими отметки могут быть лишь при зондирующих импульсах, форма которых близка к прямоугольной.

Наилучшим образом зондирующие импульсы отражаются от ориентированных перпендикулярно к направлению распространения луча металлических поверхностей, протяженность которых намного превосходит длину облучающих* волн. Чем больше отражающая поверхность, тем большая часть энергии зондирующего импульса примет участие в образовании отраженного сигнала, тем большей окажется и дальность действия РЛС.

Максимальная дальность действия различных РЛС поддается заблаговременному теоретическому расчету, производимому по так называемым уравнениям дальности, учитывающим основные параметры РЛС и свойства отражающих объектов. Известны два уравнения дальности: уравнение дальности радиолокационного обнаружения в свободном пространстве и уравнение, пригодное для расчетов дальности наблюдений наземных (и морских) объектов, когда из-за больших рассеяния и поглощения энергии зондирующих и отраженных импульсов электромагнитных волн, распространяющихся вблизи земной поверхности или волнистой поверхности моря, максимальные дистанции действия РЛС значительно сокращаются.

Уравнение дальности для свободного пространства имеет вид

Принципы радиолокации

 

Здесь Dмакс — максимальная дальность радиолокационного наблюдения в километрах, Римп — мощность зондирующего импульса в киловаттах, Аэфф — эффективная поверхность отражающего объекта в квадратных метрах, Емин — минимальное напряжение, создаваемое возвращающимися отраженными сигналами на входе радиоприемника, которое еще способно воздействовать на него, чтобы создать отметку на экране индикатора, К—комбинированный параметр данной РЛС, зависящий от направленности и коэффициента полезного действия ее антенной системы, от длины волны, а также заключающий в себе множитель пропорциональности для получения расстояния в километрах. Длина волны входит в параметр К таким образом, что с уменьшением длины волны К возрастает.

Из приведенной формулы видно, что если пытаться повысить дальность радиолокационных наблюдений в свободном воздушном пространстве увеличением мощности зондирующих импульсов, то для получения удвоенной дальности эту мощность пришлось бы увеличить в 16 раз.

Кроме величин, являющихся параметрами РЛС, в уравнение дальности входит Аэфф. Эта величина характеризует отражающие объекты независимо от РЛС. Определения Аэфф для объектов сложной формы производятся опытным путем, но для некоторых видов отражателей могут быть указаны ее теоретические значения, связанные с длиной волны.

В табл. 13 приводится ряд объектов радиолокационного наблюдения и характерные для них значения Аэфф.

Таблица 13

Принципы радиолокации

Уравнение дальности для объектов, расположенных вблизи поверхности земли или воды (наземные и морские объекты радиолокационного наблюдения), выглядит так:

Принципы радиолокации

Здесь величины Dмакс, Рмин, Аэфф и Емин имеют те же значения и выражаются в тех же единицах, что и для предыдущего уравнения. Комбинированный коэффициент К1, имея ту же структуру, что и К, длины волны в себе не содержит. Длина волны λ вместе с высотой антенны РЛС h1 и высотой объекта h2, выраженных в метрах, объединена в добавочном множителе (под знаком квадратного корня).

Как можно видеть, радиолокационные наблюдения низкорасположенных объектов возможны на расстояниях, значительно уменьшенных в сравнении с теми, которые при тех же мощностях могут быть достигнуты для объектов, находящихся в свободной атмосфере. Стремление удвоить максимальную дальность обнаружения за счет увеличения мощности в импульсе в данном случае привело бы к необходимости увеличения этой мощности в 256 раз. Это может представить значительные технические трудности в том случае, если используемые мощности и без того не слишком малы, а иногда и просто является невозможным.

Помимо величин, входящих в уравнения дальности, максимальная дистанция обнаружения отражающих объектов ограничивается также частотой повторения посылок зондирующих импульсов. Уверенно измеряемая дальность не может превосходить половины того расстояния, которое проходят зондирующий и отраженный лучи в течение следующей за каждым импульсом паузы, так как в противном случае отраженный сигнал „опоздает" сделать правильную отметку на линии развертки и, попадая в развертку следующего цикла, даст там ложную отметку дальности. В случае прихода отраженного сигнала в начале следующего цикла развертки отметки вообще не будет видно вследствие занятости начала линии развертки следами зондирующих импульсов и отражениями от местных предметов. При частоте повторений 1000 гц максимальная дальность определится отрезком времени около 1 мсек (1000 мксек), соответствующим одному периоду при этой частоте, что дает расстояние 150 км. Для того чтобы обеспечить дальность порядка 300 км, частоту повторения зондирующих импульсов необходимо снизить до 500 гц и т. д.

Что касается минимальных расстояний, измеряемых с помощью радиолокационных станций импульсного типа, то они определяются длительностью импульса. Если длительность зондирующего импульса составляет, например, 2 мксек, то отражение от любого объекта, расположенного в 300 м от радиолокатора или ближе, достигнет его приемной антенны еще до того, как полностью закончится излучение зондирующего импульса, вследствие чего по экрану отметчика дальности невозможно будет определить, где кончается зондирующий сигнал и где начинается отраженный, так как они сольются вместе.

Отметки обоих сигналов станут раздельными лишь в том случае, если расстояние до отражающего объекта будет превосходить 300 м, но можно получить их раздельными и для меньших расстояний, если зондирующий импульс укоротить. Так, для радиолокатора, в котором используются зондирующие импульсы длительностью всего 0,5 мксек, минимальная дальность обнаружения (при условии правильного изготовления антенного устройства станции) составит около 75 м. Технические трудности, возникающие при использовании очень кратковременных импульсов, обычно заставляют применять импульсы длительностью от одной до нескольких микросекунд.

Если же требуется измерение сравнительно малых расстояний (например, для определения высоты самолета при слепой посадке), то дополнительно к радиолокаторам импульсного типа устанавливают радиолокаторы непрерывного излучения.

Использование радиолокационной аппаратуры для аэрологических наблюдений началось лишь с 1943 г. Первоначально был разработан так называемый метод пассивных отражателей, при котором в полет выпускают прикрепленный к наполненному водородом резиновому шару горизонтально ориентированный крест, составленный из двух изолированных друг от друга отрезков проволоки длиною в полволны каждый. При горизонтальной поляризации зондирующего луча такой крест является постоянным отражателем приходящих к нему импульсов электромагнитных волн, тогда как в случае, если бы использовался только одиночный полуволновой отрезок проволоки, отражение периодически исчезало бы в те моменты, когда случайно вращающийся во время своего подъема шар направит поднимаемый им отражатель вдоль луча.

Практические достоинства применения пассивных отражателей для радиолокационного ветрового зондирования атмосферы должны быть оценены с учетом того, что подавляющее большинство теодолитных наблюдений за выпущенными шарами-пилотами приходится прекращать из-за ограниченности дальности видимости при облаках и в темное время суток на первых 10—20 мин. подъема, не говоря уже о том, что в ненастную погоду и при тумане такие наблюдения не могут быть организованы вообще.

Применение РЛС для ветровых наблюдений сразу нейтрализовало перечисленные ограничения, и данные ветра стали столь же регулярными, как и остальные данные, характеризующие свободную атмосферу (температура, влажность и давление воздуха на разных высотах). Регулярность получения основных характеристик над большими пространствами, как известно, стала возможной благодаря радиозондированию, весьма полезным дополнением к которому явилась радиолокация. Необходимо подчеркнуть, однако, что радиолокационными наблюдениями с использованием пассивных отражателей не всегда обеспечивается удовлетворительная точность и высота получаемых ветровых данных, вследствие чего метод пассивных отражателей наиболее применим для систематических ветровых исследований в основном лишь в тропосфере. Обычные параметры радиолокационных станций гидромет- службы позволяют получать наклонную дальность при наблюдениях за пассивными отражателями до 30 км,, что соответствует средним высотам около 8 км. Для полного удовлетворения запросов синоптической практики этого, конечно, совершенно недостаточно, если к тому же учесть, что угловые координаты летящего отражателя с помощью большинства радиолокаторов определяются менее точно в сравнении с обычными оптическими теодолитами.

Поскольку, однако, для синоптика большой интерес представляют не только точные количественные, но и приблизительные качественные характеристики атмосферы (например, знаки и градиенты вращения ветра с высотой, вертикальные градиенты скорости ветра и т. п.), применение радиолокационных станций для ветровых наблюдений прочно укоренилось в аэрологической практике, и самостоятельная их ценность, несмотря на худшую в сравнении с теодолитами точность, совершенно бесспорна.