9. Speed measurement
Speed is the change in distance to an object with respect to time. Thus the existing system for measuring distance, combined with a memory capacity to see where the target last was, is enough to measure speed. At one time the memory consisted of a user making grease-pencil marks on the radar screen, and then calculating the speed using a slide rule. Modern radar systems perform the equivalent operation faster and more accurately using computers.
However, if the transmitter's output is coherent (phase synchronized), there is another effect that can be used to make almost instant speed measurements (no memory is required), known as the Doppler effect. Most modern radar systems use this principle in the pulse-doppler radar system. Return signals from targets are shifted away from this base frequency via the Doppler effect enabling the calculation of the speed of the object relative to the radar. The Doppler effect is only able to determine the relative speed of the target along the line of sight from the radar to the target. Any component of target velocity perpendicular to the line of sight cannot be determined by using the Doppler effect alone, but it can be determined by tracking the target's azimuth over time.
Радар.
Радар - это система, которая использует электромагнитные волны, чтобы определить дистанцию, высоту, направление или скорость движения как движущихся, так и неподвижных объектов, таких как самолет, корабли, автомашины, погодные формирования и ландшафт. Термин РАДАР был выдуман в 1941 году как акроним для радиообнаружение и дальнометрия. Термин с тех пор вошел в английский язык как стандартное слово, радар, теряя капитализацию. Радар первоначально назвали “Радио искатель направления” в Великобритании.
Радарная система имеет передатчик, который испускает микроволны или радиоволны, которые отражаются от цели и регистрируются приемником, который обычно расположен там же где и передатчик. Хотя обычно сигнал возвращается очень слабым, сигнал может быть усилен. Это позволяет радару обнаружить объекты на расстоянии, где другие эмиссии, такие как звук и видимый свет, были бы слишком слабыми для обнаружения. Радар используется во многих контекстах, включая метеорологическое обнаружение осадков, измерение океанских поверхностных волн, контроль воздушного движения, полицейское обнаружение скорости движения и вооруженными силами.
1. История.
Несколько изобретателей, ученых и инженеров поспособствовали развитию радара. Первым использовавшим радиоволны для обнаружения “присутствия удаленных металлических объектов” был Христиан Хулсмеер, который в 1904 году продемонстрировал выполнимость обнаружения присутствия корабля в густом тумане, но не расстояние до него. Николай Тесла, в августе 1917 года первым установил принципы соотношения частоты и уровня мощности для первых примитивных радарных установок. Перед Второй Мировой войной разработки американцев, немцев, французов, советских и англичан привели к современной версии радара. 1934 год был особенно заполнен, француз Эмиль Гирардеу заявил, что он построил радарную систему “задуманную согласно принципам заявленным Тесла”, и получил патент для рабочей двойной радарной системы, часть которой была установлена на лайнере Нормандия в 1935 году. В том же году американец Роберт М. Пейдж протестировал первый моноимпульсный радар, и советский военный инженер П.К. Ощепков, в сотрудничестве с Ленинградским институтом электрофизики, создал экспериментальный аппарат Рапид(быстрый), способный обнаружить самолеты в области с радиусом 3 км от приемника. Венгр Золтан Бай создал рабочую модель в 1936 году в лаборатории Тунгсрема.
Однако, британцы были первыми, кто полностью использовал это для защиты против нападения самолетов. Это подстрекалось страхами, что немцы разрабатывали смертельные лучи. Следующее детальное теоретическое исследование возможности увеличения электромагнитной энергии и возможного эффекта, британскими учеными, которых попросило Воздушное министерство заняться исследованиями, заключило, что смертельные лучи непрактичны, но обнаружение самолетов выполнимо. Роберт Ватсон-Ват продемонстрировал его начальникам способности рабочего прототипа и запатентовал устройство в 1935 году. Это послужило основой для домашней сети радаров для защиты Великобритании.
Война ускорила исследования в поиске лучшего решения, большей мобильности и больше особенностей для новой защитной технологии. В послевоенные годы радары использовались в разнообразных областях, таких как контроль воздушного движения, наблюдение за погодой, астрометрия и дорожный контроль скорости.
2. Принципы.
Радарная тарелка, или антенна, посылает импульсы радиоволн или микроволн. Эти волны отражаются от любого объекта на их пути и возвращаются в тарелку, которая обнаруживает их. Время которое занимает, чтобы отраженные волны вернулись в тарелку, позволяет компьютеру вычислить как далеко объект, его радиальную скорость и другие характеристики.
3. Отражение.
Электромагнитные волны отражаются (рассеиваются) от любого большого изменения в диэлектрических или диамагнитных постоянных. Это означает, что твердый объект в воздухе или вакууме, или другое существенное изменение в атомной плотности между объектом и окружающем его, обычно рассеивает радиоволны. Это особенно верно для электрически проводящего материала, такие как металл и углеродистое волокно, что делает радар хорошо подходящим для обнаружения самолетов и кораблей. Радарно-поглощающие материалы, содержащие сопротивления и иногда магнитные вещества, используются на военных транспортных средствах, чтобы уменьшить радарное отражение. Это радиоэквивалент закрашивания чего-нибудь темным цветом.
Радарные волны рассеиваются в разные направления, в зависимости от размера(длины волны) радиоволны и формы цели. Если длина волны во много раз меньше размера цели, волна отразится по пути, подобному тому, как свет отражается от зеркала. Если длина волны во много раз больше чем размер цели, цель поляризует(положительные и отрицательные заряды отдельно), как дипольная антенна. Это описывается рассеиванием Рэлея, это эффект который создает синее небо Земли и красные закаты. Ранние радары использовали очень длинные длины волн, которые были больше чем цель и получали неопределенный сигнал, тогда как некоторые современные системы используют более короткие длины волн(несколько сантиметров или короче), которые могут показать маленькие объекты, как кусок хлеба.
Короткие радиоволны отражаются от кривых и углов, подобно отблескам от округленной части стакана. Самые отражающие цели для коротких длин волн имеют углы в 90 градусов между отражающими поверхностями. Структура состоящая из трех плоских поверхностей встречающихся в единственном углу, как угол на коробке, будет всегда отражать волны, входящие в ее открытие, непосредственно назад в источник. Это так называемые угловые отражатели, обычно используются как радарные отражатели, чтобы сделать труднообнаружимые объекты более легкими для обнаружения, и часто находятся на лодках, чтобы улучшить их обнаружение в спасательной ситуации и уменьшить столкновения. По подобным причинам, объекты пытающиеся избежать обнаружения, повернут их поверхности, чтобы устранить внутренние углы и избежать поверхностных и краевых перпендикуляров к вероятным направлениям обнаружения, что приводит к “нечетко” выглядящему самолету Стелс. Эта предосторожность полностью не устраняет отражение из-за дифракции, особенно в более длинных длинах волн. Степень с которой объект отражает или рассеивает радиоволны называется радарная поперечная секция или обычно более известная как RCS.
4. Поляризация.
В переданном радарном сигнале электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, и это направление электрического поля - поляризация волны. Радары используют горизонтальную, вертикальную, линейную и круговую поляризацию, чтобы обнаружить различные типы отражений. Например, круговая поляризация используется чтобы минимизировать воздействие вызванное дождем. Возвращенная линейная поляризация обычно указывает на металлические поверхности. Случайная поляризация обычно указывает на рекурсивные поверхности, такие как скалы или почва, и используются в навигационных радарах.
5. Интерференция.
Радарные системы должны преодолеть несколько различных источников нежелательных сигналов, чтобы сосредоточится на интересующих целях. Эти нежелательные сигналы могут происходить от внутренних и внешних источников, пассивных и активных. Способность радарной системы преодолеть эти нежелательные сигналы определяется отношением сигнал – шум. Отношение сигнал – шум определяется как отношение мощности сигнала к мощности шума в пределах желательного сигнала. В меньшем количестве технических терминов, отношение сигнал – шум сравнивает уровень желательного сигнала(такого как цели) с уровнем фонового шума. Чем выше отношение сигнал – шум системы, тем лучше выделение цели от окружающих шумовых сигналов.
6. Шум.
Сигнал шума – это внутренний источник случайных изменений в сигнале, которые неотъемлемо производятся с некоторой степенью всеми электронными компонентами. Шум типично проявляется как случайные изменения, добавленные на желательный сигнал эха, отраженный в приемник радара. Чем ниже мощность желаемого сигнала, тем труднее отличить его от шума(это подобно попытке услышать шепот, стоя около занятой дороги). Поэтому, самые важные шумовые источники проявляются в приемнике и большие усилия предпринимаются для минимизации этих факторов. Шумовое число- это мера шума, произведенного приемником по сравнению с идеальным приемником, и оно должно быть минимальным.
Шум также производится внешними источниками, наиболее важно естественное тепловое излучение фона, окружающее интересующую цель. В современных радарных системах, из-за высокой эффективности их приемников, внутренний шум обычно равен или меньше чем внешний шум. Исключение, если радар нацелен вверх на ясное небо, где область настолько холодна, что производит очень маленькие тепловые шумы.
Здесь будут также вспышки шума, из-за движения электронов, но в зависимости от 1/f, они будут намного ниже, чем тепловые шумы, когда частота высокая. Следовательно, в импульсном радаре система всегда будет гетеродинной.
7. Глушение.
Радарное глушение относится к сигналам радиочастот, происходящим из источников вне радара, передающегося на частотах радара и таким образом маскирующего интересующие цели. Глушение может быть намеренным, как тактика радиоэлектронной войны, или ненамеренным, в качестве оперативного оборудования дружественных сил, которые для передачи используют тот же диапазон частот. Глушение считают активным источником воздействия, т.к. оно производится элементами вне радара и вообще не связано с сигналами радара.
Глушение проблематично для радара, т.к. сигнал глушения должен пройти только один путь(от глушителя до приемника радара), тогда как сигнал радара проходит 2 пути(радар-цель-радар) и поэтому значительно уменьшается по мощности, к тому времени как вернется к приемнику радара. Глушители поэтому могут быть менее мощными, чем заглушенные ими радары и все еще эффективно маскировать цель вдоль луча обзора от глушителя до радара.
8. Измерение расстояния
Один из способов измерения расстояния до объекта- это передавать короткие импульсы радиосигнала(электромагнитное излучение) и измерять время которое займет для возвращения отраженного сигнала. Дистанция – это половина результата пройденного времени туда и обратно(потому что сигнал доходит до цели и возвращается в приемник) и скорости сигнала. Т.к. радиоволна движется со скоростью света(186 миль в секунду или 300 тысяч метров в секунду), точное измерение расстояния требует высокоэффективной электроники.
В большинстве случаев, приемник не обнаруживает возвращенный сигнал, пока сигнал передается. Благодаря использованию устройства названного дуплексер, радар переключается между передачей и приемом с определенной скоростью. Минимальный диапазон вычисляется, измеряя длину импульса, умноженного на скорость света, деленное на два. Чтобы обнаружить более близкие цели, нужно использовать более короткую длину импульса.
Если возвращенный сигнал от цели приходит, в то время когда следующий импульс отсылается, приемник не может выявить различия. Чтобы максимально увеличить диапазон, каждый пытается использовать более длинное время между импульсами, или обычно называемое время повторения импульса, или его инверсию- частоту повторения импульса.
Эти две тенденции имеют разногласия друг с другом и не легко объединить достоинства короткого диапазона и длинного диапазона в одном радаре. Это потому что у коротких импульсов, необходимых для достоинств минимального диапазона радиопередачи, имеется мало полной энергии, что делает возвращенный сигнал меньше и цель труднее обнаружить. Это может быть возмещено использованием большего количества импульсов, но это сократит максимальную дальность. Таким образом, каждый радар использует специфический тип сигнала. Радары дальнего действия используют длинные импульсы с длинными задержками между ними, ближнего действия используют меньше импульсы с меньшим временем между ними. Этот образец импульса и пауза известная как частота повторения импульса, один из главных способов охарактеризовать радар. Т.к. электроника сейчас улучшилась, много радаров теперь могут изменять свою частоту повторения импульсов, таким образом, меняя их диапазон. Самые новые радары испускают два импульса во время одной ячейки, один для короткого расстояния 10км/6миль и отдельный сигнал для более длинных дистанций 100км/60миль.
Расстояние может быть также измерено как функция времени. Радарная миля- это количество времени, которое понадобится для радарного импульса, чтобы преодолеть одну навигационную милю, отразиться от цели и возвратиться в радарную антенну. Так как навигационная миля определена точно 1,852 метра, деля это расстояние на скорость света(точно 299792458 метров в секунду), и умножая результат на два(туда и обратно - дважды расстояние), это приводит к результатам длительности приблизительно 12,36 микросекунд.
Другая форма измерения расстояния радаром основана на частотной модуляции. Сравнение частоты между двумя сигналами значительно точнее, даже со старой электроникой, чем времени сигнала. Изменяя частоту возвращенного сигнала и сравнивая с оригиналом, различие может быть легко измерено.
Эта техника может быть использована в радарах с непрерывной волной, и это часто находит применение в радарных высокометрах самолета. Сигнал посылают из одной антенны и получают на другой, обычно расположенной на основании самолета, и сигнал может непрерывно сравниваться, используя простой частотный модулятор, который производит частотный звуковой тон из возвращенного сигнала и части переданного сигнала.
Дальнейшее преимущество состоит в том, что радар может работать эффективно в низких частотах, сопоставимых с используемым телевидением УВЧ. Это было важно в раннем развитии этого типа, когда генерировать сигнал высокой частоты было трудно и дорого.
9. Измерение скорости.
Скорость это изменение расстояния до объекта с течением времени. Таким образом существующая система для измерения расстояния объединяется с возможностью памяти видеть где была цель, и этого достаточно для измерения скорости. Когда-то память состояла из пользователя, делающего жирные точки карандашом на радарном экране и затем вычисляющего скорость, используя логарифмическую линейку. Современные радарные системы выполняют эквивалентную операцию быстрее и более точно, используя компьютеры.
Однако, если испускания передатчика когерентны(фазовая синхронизация), есть другой эффект, который может использоваться, чтобы сделать почти мгновенные измерения скорости(никакая память не требуется), известный как эффект Доплера. Самые современные радары используют этот принцип в импульсном Доплеровском радаре. Возвращенный сигнал от цели смещается от основной частоты через эффект Доплера, что позволяет вычислить скорость объекта относительно радара. Эффект Доплера только в состоянии определить относительную скорость цели вдоль луча обзора от радара до цели. Любой компонент скорости цели перпендикулярный к лучу обзора не может быть определен при использовании одного только эффекта Доплера, но он может быть определен отслеживая азимут цели в течении времени.