Физические основы радиолокации

 

Основой радиолокационного обнаружения объекта наблюдения, определение координат, их производных и других характеристик (размеров, форм физических свойств) являются электромагнитные колебания (радиоволны), отражаемые, переизлучаемые или излучаемые объектом. В активной РЛ источником таких колебаний является передающая система РЛС.

Электромагнитные колебания становятся носителем информации об объекте после их отражения этим объектом. При этом используют свойства радиоволн распространяться в однородной среде прямолинейно с постоянной скоростью.

Радиосигналы в электрических цепях существуют в виде напряжения и тока, а в свободном пространстве в виде электромагнитного излучения (электромагнитных волн).

Электромагнитная волна (ЭМВ) характеризуется взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического (Е) и магнитного (В) полей, а также вектором П – мощности, приходящейся на единицу площади поверхности фронта её распространения.

Рисунок 2 – Электромагнитная волна

 

Поляризация ЭМВ определяется направлением вектора Е электрического поля. ЭМВ представляет собой непрерывно распространяющийся процесс, т.е. электрическая и магнитная составляющие изменяются во времени и пространстве. Скорость распространения ЭМВ 300000 км/с. Распространение, преодолеваемое ЭМВ за 1 период колебательного процесса, называют λ (длиной волны):

λ = С·Т

Частота f, угловая частота ω и период колебаний Т ЭМВ связаны следующим соотношением:

ω= 2·π·f

Постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн позволяют определить дальность R от РЛС до объекта наблюдения измерением времени прохождения ЭМВ t_з (время запаздывания) от РЛС объекта и обратно.

 

объект

РЛС

R – наклонная дальность

D – дальность

tз

 

На местности:

Рисунок 3 – Координаты, определяемые радиолокатором

 

Свойства прямолинейности распространения и принимаемых от объекта волн являются основой определения угловых координат. При этом используют направленные свойства антенной РЛС.

Антенна – устройство для приема или излучения электромагнитной энергии, представляющее собой открытый колебательный контур, выполненный так, чтобы как можно большая часть, подводимая от передатчика колебательной мощности, излучалось в пространство в виде ЭВМ.

Обнаружение объекта наблюдения сводится к обнаруженью сигнала излучаемого или переизлучаемого им на фоне различного вида помех.

Зависимость эффективной площади рассеивания плоских поверхностей от угла падения ЭМВ носит осциллирующий характер. Диаграмма их направленности имеет лепестковый характер (главный, боковые и задние лепестки), важным является отношение линейных размеров и поверхности к λ, чем больше отношение, тем уже лепестки.

Блестящая точка – точка на отражающей поверхности, нормаль из которой совпадает с направлением на РЛС.

Диффузионное отражение возникает от поверхности с неровностями, соизмеримыми с длиной волны. При этом энергия падающей волны рассеивается во всех направлениях. Активная радиолокация основана на явлении рассеивания радиоволн неоднородностей.

Мощность вторичного излучения зависит от:

- интенсивности первичного поля около объекта наблюдения;

- параметров объектов (габаритов, свойств);

- положения объекта относительно радиолокатора;

- поляризации первичного поля;

-длины волны.

При увеличении длины волны мощность вторичного поля падает, что уменьшает дальность обнаружения. Поэтому для радиолокации используют радиоволны, длина которых существенно меньше линейных размеров цепей.

Фактором, ограничивающим целесообразное уменьшение длины волны, является затухание радиоволны в атмосфере, которое в сантиметровом и в миллиметровом диапазонах волн является значительным и зависит от погодных условий.

Пеленгом называют угол между условно выбранным направлением и искомым направлением, обычно принимают северное направление географического меридиана.

В зависимости от предъявляемых к РЛС требований используют амплитудную, частотную, фазовую модуляцию, зондирующего колебания, а иногда их комбинации.

При перемещении диаграммы направленности антенны(ДНА) относительно объекта, амплитуда радиолокационного сигнала изменяется, т.е. появляется дополнительная амплитудная модуляция, определяемая формой ДНА и скоростью ее перемещения.

ДНА – зависимость плотности потока мощности или амплитуды напряженности поля объекта от направления в пространстве при постоянстве точек наблюдения.

В главных плоскостях диаграммы направленности изображают плоскости кривой в полярной или прямоугольной системе координат. В современных РЛС применяют излучения линейно-поляризованных (горизонтально, вертикально) колебаний, а также с круговой поляризацией.

Радиальная скорость объекта может быть определена при излучении немодулированного колебания за счет доплеровского смещения частоты отраженного сигнала относительно зондирующего.

где F _д – частота Доплера;

v_r – радиальная скорость.

В радиолокации, как правило, приходится иметь дело с движущимися объектами, для выделения которых на фоне неподвижных окружающих объектов применяют систему селекции движущихся целей. Селекция основана на отличии f_с от движущегося объекта (эффект Доплера), от сигналов, отраженных неподвижными объектами. Диапазон изменения доплеровской частоты соответствует звуковому диапазону.

Полезную информацию, содержащуюся в радиолокационном сигнале, выделяют при его обработке в приемном и оконечном устройствах РЛС. Эта задача усложняется наличием естественных и искусственно-создаваемых помех, которые вызывают искажение сигнала, его пропуск или образование ложного сигнала, поэтому процесс обработки должен быть согласован не только с типом отраженного сигнала, но и с видом типов помех. Активные шумовые помехи, заградительные, импульсивные, пассивные.

Приемная система усиливает, преобразует, фильтрует и детектирует радиолокационный сигнал. Дальнейшую обработку сигнала с целью извлечения полезной информации из смеси сигнал-помеха осуществляют оконечным устройством, которое определяет координаты и параметры движения объекта на основе выделенного (обнаруженного) сигнала.