книги из ГПНТБ / Пелюхов П.И. Основы радиолокации учебное пособие

нами расстояния от пункта расположения радиолокационной станции до объекта и после отражения (ретрансляции) от объекта до радиолокационной станции:

необходимо знать величину скорости распространения радио­ волн и время их распространения /.

Скорость распространения радиоволн зависит от свойств среды, в которой происходит их распространение.

Для удобств приближенных практических расчетов ско­

обеспечивающие излучение и прием радиоволн в узком сек­ торе. Обнаружение отраженных сигналов при направленных излучении и приеме возможно, если обнаруживаемый объект находится в зоне излучения и приема. Фиксируя положение антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях в мо­ мент приема отраженных сигналов, можно определить угло­ вые координаты цели: азимут и угол места.

§3 ДИАПАЗОНЫ РАДИОВОЛН, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ВРАДИОЛОКАЦИИ. ОСОБЕННОСТИ. РАСПРОСТРАНЕНИЯ УКВ

Большинство современных радиолокационных станций работает в ультракоротковолновом диапазоне радиоволн (диапазон УКВ а= 0,001 —10 м).

Выбор ультракоротковолнового диапазона для радиоло­ кации обусловлен рядом причин. Как уже указывалось вы­ ше, в основу активной радиолокации положено явление отра­ жения радиоволн от объектов. Интенсивность отраженных (рассеянных) радиоволн зависит от многих факторов:

— материала объекта, его электрических характеристик;

11

—соотношения между размерами объекта и длиной волны:

—формы объекта и его положения относительно радио­

локационной станции. , Чем больше в материале объекта сила наведенного пере­

менного тока, возникающего в результате воздействия пер­ вичных радиоволн, тем больше интенсивность отраженных радиоволн. Тела, хорошо проводящие электрический ток (проводники), отражают радиоволны лучше, чем непровод­ ники или полупроводники.

Для того чтобы отражение от объекта при прочих равных условиях было заметным, длина волны должна быть меньше его размеров или соизмерима с ним. Если же длина радио­ волны значительно больше размеров объекта, то радиоволна огибает объект (препятствие). Отражение радиоволн от него в этом случае будет незначительным.

Большинство воздушных целей имеет размеры порядка нескольких метров или нескольких -десятков метров. Следова­ тельно, заметное отражение радиоволн будет иметь место в том случае, когда объект облучается радиоволнами ультра­ коротковолнового диапазона.

Другая причина выбора для радиолокации ультракоротко­ волнового диапазона обусловлена возможностью создания в этом диапазоне малогабаритных антенн с высокой направлен­ ностью действия.

Точность определения направления на цель, а также даль­ ность ее обнаружения во многом зависят от размеров сек­ тора, в пределах которого возможны излучение и прием ра-* диоволп данной антенной. Чем уже этот сектор, тем точнее можно определить угловые координаты цели и тем лучшие условия создаются для раздельного наблюдения двух целей, находящихся на одинаковых расстояниях от радиолокацион­ ной станции.

В диапазоне ультракоротких волн можно получить им­ пульсы высокочастотных колебаний незначительной длитель­ ности (до 0,1 мксек), что создаст благоприятные условия для раздельного наблюдения двух целей на одном направлении при дистанции между ними всего в несколько десятков или сотен метров.

В диапазоне УКВ практически отсутствуют атмосферные помехи и резко снижаются индустриальные помехи, что улуч­ шает условия приема отраженных сигналов. Условия рас­ пространения волн УКВ диапазона не зависят от времени су­ ток и года.

Однако ультракороткие волны в отличие ог других диа­ пазонов радиоволн, в особенности волны дециметрового, сан­ тиметрового и миллиметрового диапазонов, как правило, не

12

отражаются от ионизированных слоев атмосферы и очень слабо огибают земную поверхность, распространяясь прибли­ зительно прямолинейно.

Прямолинейность распространения волн ультракоротко­ волнового диапазона является причиной ограничения дально­ сти радиолокационного обнаружения на этих волнах за ли­ нией горизонта. На прямолинейном пути между точкой излу­ чения и точкой приема не должно быть объектов, препятст­ вующих распространению ультракоротких радиоволн. Таким

мосферы. Решающее влия­ ние на рефракцию оказывает изменение в самых нижних слоях

атмосферы температуры, влажности или плотности воздуха по мере удаления от земли. Чем резче эти изменения, тем резче искривляется луч. Возможно необычное состояние атмосфе­ ры вследствие сильного испарения с земной поверхности, осо­ бенно с поверхности моря или океана, вызывающее достаточ­ но большое искривление луча, называемое с в е р х р е ф р а к- ц и е й.

При таких условиях па высоте 10-100 м иногда образу ется критический слой, от которого ультракороткие волны (преимущественно сантиметровые и дециметровые), излуча­ емые под незначительными углами к горизонту, испытывают многократные отражения подобно отражению коротких волн от ионосферы и поверхности земли. Возникает так называе­ мый атмосферный радиоволновод.

Сверхрефракция может увеличить дальность радиообна­ ружения. Однако такое увеличение дальности не может счи­ таться надежным вследствие нестабильности состояния ат­ мосферы.

Радиоволны метрового и дециметрового поддиапазонов примерно до 30 м заметно не поглощаются в атмосфере.

13

При переходе же к сантиметровым золкам в ряде слу­ чаев приходится считаться с такими явлениями, как погло­ щение и рассеивание энергии радиоволн в атмосфере, в ре­ зультате чего уменьшается дальность обнаружения объектов.

§ 4. Л4ЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА НЕПРЕРЫВНОМ ИЗЛУЧЕНИИ РАДИОВОЛН

В системах с непрерывным излучением объект может быть обнаружен лишь в том случае, когда частота сигналов, от­ раженных от объекта, не совпадает с частотой колебаний, излучаемых передающим устройством. В результате одно­ временного воздействия на приемник двух колебаний с раз­ ными частотами па его выходе будут обнаруживаться коле­ бания разностной частоты. Наличие этих колебаний па вы­ ходе приемника будет свидетельствовать о появлении объ­ екта в пределах зоны обнаружения радиолокационной станции.

Метод радиолокации, основанный на использовании эффекта Допплера

Сущность эффекта Допплера применительно к радиовол­ нам состоит в том, что при движении источника радиоволн относительно приемного устройства или, наоборот, при дви­ жении приемного устройства относительно источника радио­ волн частота воспринимаемых приемным устройством коле­ бании пе совпадает с. частотой излучаемых радиоволн, пря­ чем это различие в частотах тем больше, чем больше ско­ рость их относительного перемещения.

Разность частот излученного и принятого колебаний на­

14

Дл(гц) = 200 W (м'.сек) cos а X (сж)

Определим порядок допплеровских приращении для типовых условий. Пусть Wi = 1000 м. сек, я -■=0, X— 10 слг. Тогда

Дд = 200 103 = 20 000 гц.

То

15

При W-, — 100 м сек, а = 0 и а. = 10 см

Fj. = 200 • — - = 2000 гц. 10

Частоту принимаемых колебаний можно определить из выражения:

пользованием эффекта Допплера приведена на рис. 4. Пере­ датчик излучает незатухающие колебания частоты / через антенну А\. После отражения от движущейся цели частота отраженного сигнала благодаря эффекту Допплера отлича­ ется от частоты / на допплеровское приращение. На приемную антенну А-> поступает часть мощности прямого сигнала час­ тоты /. Па выходе смесителя выделяется частота биении меж­

сигнал поступает в индикатор для выработки данных о цели.

Рис. 4

Допплеровская радиолокационная станция в общем слу­ чае позволяет обнаружить цель, измерить ее радиальную скорость и угловые координаты.

Обнаружение цели может фиксироваться, например, по появлению звукового сигнала в телефонах или колебании допплеровской частоты на экране электронно-лучевой трубки.

Радиальная скорость цели определяется путем измерения величины допплеровской частоты: Wr — F X . Угловые ко­

ординаты определяются по положению приемной антенны в

16

момент приема отраженного сигнала относительно фиксиро­

ванных направлений.

Здесь существенно отметить, что возможность непрерыв­ ного определения скорости дели и выделение только подвиж­ ных целей являются важнейшими преимуществами доппле­ ровских станций. Кроме того, эти станции позволяют осуще ствлять выделение (селекцию) радиолокационных целей по скорости путем настройки узкополосного фильтра и усили­ теля допплеровской частоты на заданное значение F л, соответ­ ствующее скорости селектируемой цели. Это качество доп­ плеровской станции позволяет, например, устранить влияние отраженных сигналов от земной поверхности на радиолока­ ционную станцию, установленную как на земле, так и под­ вижном объекте (самолете, ракете и т. д.).

К другим достоинствам этих станций следует отнести:

— отсутствие «мертвой зоны» по дальности, характерной

где т — длительность импульса;

— возможность работы при весьма малой полосе пропус­ кания приемника, определяемой в основном шириной спектра допплеровских частот, что благоприятно сказывается на уве­ личении помехозащищенности станции.

Однако допплеровские радиолокаторы имеют характер­ ные недостатки и ограничения. Наиболее важным недостат­ ком является трудность получения большой дальности до целей и раздельного их наблюдения на экране индикатора; в простейшем случае при помощи рассматриваемой станции дальность можно приближенно определить лишь по ампли­ туде колебаний допплеровской частоты.

Благодаря простоте устройства рассмотренных допплеров­ ских станций и отсутствию ближней «мертвой зоны» они применяются в радиовзрывателях и радиолокационных коор­ динаторах снарядов, а также в качестве станций обнаруже­ ния и слежения за целями.

Возможность непосредственного измерения с помощью допплеровской станции радиальной скорости цели позволяет

■использовать эти станции как наземные и бортовые измери­ тели скорости поиска самолетов, ракет, искусственных спут­ ников и других объектов.

Эффект Допплера используется в современных наземных импульсных радиолокационных станциях для обнаружения движущихся целей на фоне отражений от неподвижных или малоподвижных объектов (местных предметов, облаков, ме­

таллизированных лент и т. д.), т. е. для решения задачи се­ лекции движущихся целей ВГ.ПТТУ_____ _______

Использование эффекта Допплера для измерения путевой скорости и угла сноса в радионавигационных автономных устройствах

Допплеровские измерители путевой скорости позволяют непосредственно измерять величину путевой скорости и угол сноса летательного аппарата с достаточно большой точностью в широком диапазоне высот и скоростей полета при любых метеорологических условиях. Автономный измеритель пред­ ставляет собой радиолокационное устройство, устанавливае­ мое на летательном аппарате и состоящее из приемо-переда­ ющего устройства и измерительных приборов. В измерителе используются сигналы, отраженные от земной поверхности.

Возможность измерения угла сноса и путевой скорости самолета при горизонтальном полете можно показать следу­ ющим путем.

Предположим, что передающая и приемная антенны из­ мерителя совмещены и ось диаграммы направленности нахо­ дится в вертикальной плоскости S. Вектор воздушной скоро­

Поворачивая антенну вокруг вертикальной оси при у= = const, устанавливают ось диаграммы направленности в та-

Рис. 5

18

А

Измеритель с одним лучом называется однолучевой си­ стемой. На практике однолучевая система не получила ши­ рокого распространения по причине невысокой точности из­ мерения угла сноса и путевой скорости. Действительно, диф­ ференцируя уравнение (I, 10)

2 W

d Гл = ------ cos 7 sin (Р — УС) d УС X

и заменяя дифференциалы конечными приращениями, имеем:

Д У С = 2^ -----^ ------------- . (1, 11) —-— cos у sin (УС— Р)

При отсчете угла сноса УС = р. Следовательно, даже не­ значительная ошибка в измерении Д Fx приводит к большой ошибке измерения угла сноса.

Однолучевой системе свойственны ошибки измерения путевой скорости за счет вертикальной составляющей скоро­ сти полета самолета (рис. 6).

Допплеровское смещение частоты при наличии вертикаль­ ной составляющей:

Допплеровская частота равна сумме двух частот:/7^ + + Г Я.в,одна из которых Дд. г пропорциональна горизонтальной составляющей путевой скорости. Величина Wr является объ­ ектом измерения. Появление компоненты /7Д.Вприводит к по­

радиальные составляющие путевой скорости по направлениям А\ и А-2 различны.

Допплеровские частоты по каналам первого и второго лучей соответственно будут равны:

оо П7

Дд1= t — Li = — — cos у cos(cp — Р + УС),

В двухлучевой системе осуществляется сравнение доп­ плеровских частот Fa1 и Дд2 и создается сигнал разност­ ной частоты:

20