В чем заключается принцип радиолокации. Принципы радиолокации

Цель: ознакомить учащихся со свойствами радиоволн различной длины и о развитии средств связи; объяснить принцип радиолокации и телевидения;

Формировать неформальные знания и умения в освоении понятий «радиолокация» и «телевидение»;

Воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики.

Оборудование: презентация «Понятие о телевидении».

Ход урока.

I.Организационный момент.

II. Актуализация знаний.

А). Беседа по вопросам.

1. Что такое электромагнитное поле?

2. Что называется электромагнитной волной?

3. Каковы основные характеристики электромагнитной волны?

4. Каково устройство и принцип действия вибратора Герца?

5. В чём состоит научное и практическое значение опыта Герца?

6. Рассказать о истории развития радио в России.

7. В чём значение опытов А.С. Попова?

8. Расскажите о назначении отдельных деталей приёмника

8. Какова роль Г.Маркони в развитии радиосвязи?

Б). Решение задач.

№1. Электромагнитная волна, с помощью которой передают сигнал бедствия SOS, имеет длину волны 600 м. Принята такая длина волны по международному соглашению. Найти на какой частоте передается этот сигнал.

№ 2. Радиоприемник в автомашине прекращает работу, когда она проезжает под мостом или эстакадой. Почему? (Происходит экранирование и частичное поглощение радиоволны).

№ 3. В приемном контуре колебательного контура включена катушка индуктивностью 2 мкГн.Найти электроемкость конденсатора, если радиоприемник принимает волны длиной 900 м.

№ 4. Подводные лодки, погружаясь на некоторую глубину, не могут пользоваться радиосвязью. Почему? (Морская вода, хороший проводник, она поглощает радиоволны)

III . Изучение нового материала

Распространение радиоволн

Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли. По нему распространяется так называемая поверхностная (земная) волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути.
Форма Земли ограничивает дальность приема поверхностных волн. Если бы они распространялись строго прямолинейно, то радиосвязь была бы возможна только на расстоянии прямой видимости. Но поскольку с высотой электрические и магнитные параметры атмосферы меняются, поверхностная волна преломляется, отклоняясь к Земле, ее траектория искривляется, и дальность приема увеличивается.
Препятствия на поверхности Земли отражают радиоволны. За препятствиями может образовываться радиотень, куда волна не попадает. Но если длина волны достаточно велика, то вследствие дифракции волна огибает препятствие и радиотень не образуется. Мощные радиостанции, работающие на длинных волнах, обеспечивают связь на несколько тысяч километров. На средних волнах связь возможна в зоне до несколько сотен километров. На коротких волнах - лишь в зоне прямой видимости. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли. На высоте порядка100-300 км волны встречаются со слоем, состоящем из воздуха, ионизированного электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемым им. Этот слой называют ионосферой.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны, большей 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Волны после отражения в ионосфера вновь попадают на Землю. Однако все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И, наоборот, если угол меньше некоторой предельной величины, волна под тем же углом отражается к Земле. Чем меньше длина волны, тем глубже волна проникает в ионосферу, а значит, с большей высоты отражается. Короткие волны распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях на Земле. На распространение радиоволн влияют форма и физические свойства земной поверхности, а так же состояние атмосферы.

Классификация радиоволн:

Длинные, средние, короткие волны используются в телеграфии, радиовещании, телевидение, радиолокации и так далее.

Метровые и дециметровые волны используются для исследования свойств вещества.

Сантиметровые и миллиметровые волны получают в магнетронах, мазерах. Применяются в радиолокации, радиоастрономии и радиоспектроскопии.

Электромагнитные волны нашли применение в радиолокации, где используется явление отражения электромагнитных волн. Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор состоит из приемной и передающей частей. Радиолокатор (радар) – это комбинация ультрокоротковолнового радиопередатчика и приёмника, имеющих общую приёмно-передающую антенну, создающую остронаправленный радиолуч. Излучение осуществляется короткими импульсами. В радиолокации используются волны сверхвысокой частоты – от 108 до 1011 Гц. Генератор, связанный с антенной излучают остронаправленную волну. Если длина волны 10 см, то радар имеет антенну в виде параболического зеркала. Если длина волны =1 м, то антенна радара имеет вид системы вибраторов. Отраженная волна принимается той же антенной, для этого она работает в импульсном режиме. Расстояние до объекта вычисляется по формуле:

R = с t/2 ; деление на 2, потому что волна идет до цели и обратно.

Применение радиолокационных установок:

Транспорт авиа, морской, железнодорожный, метеослужба, оборона Родины, астрономия. Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов по любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлёта и посадки самолётов. Военное дело: своевременное обнаружение самолётов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня. Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.

Аварийная радиоспасательная служба. Это совокупность искусственных спутников Земли, движущихся на круговых околополярных орбитах, наземных пунктов приёма информации и радиобуёв, устанавливаемых на самолётах, судах, а также переносимых альпинистами. При аварии радиобуй посылает сигнал, который принимается одним из спутников. ЭВМ, расположенная на нём, вычисляет координаты радиобуя и передаёт информацию в наземные пункты. Система создана в России (КОСПАС) и США, Канаде, Франции (САПСАТ). С её помощью удалось предотвратить гибель людей при авариях.

Зачем нужна связь?

Это способ общения людей, необходимое звено для ведения хозяйства любой страны.

Направления, по которым развиваются средства связи.

Телефонная связь. Сотовая связь. Радиосвязь. Телевизионная связь. Телеграфная связь. Космическая связь. Интернет. Фототелеграф. Видеотелефонная связь.

Области развития видов радиосвязи.

Радиовещание, телевидение, радиотелеграфия, радиотелефония.

Космическая связь.

Это обычная радиосвязь или лазерная связь с помощью, которых осуществляется связь между наземными приемно – передающими станциями и космическими аппаратами, или между несколькими наземными станциями через спутники связи или между космическими аппаратами.

Виды линии передачи радиоволн.

Линия, выполненная электрическим кабелем; двухпроводная линия; радиорелейная линия, волоконно – оптическая линия, лазерная связь.

Преимущества волоконно – оптической линии связи.

В настоящее время такие линии считаются самыми совершенными для передачи информации. В таких линиях используется эффект полного внутреннего отражения.

Большая пропускная способность, небольшие габариты и масса, отсутствие помех, малая стоимость – это не полный перечень достоинств таких линий.

Лазерная система связи.

РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СВЯЗИ

Современное общество не может развиваться без обмена информацией. Связь - это передача и прием информации с помощью различных методов. Одним из самых эффективных способов является передача информации с помощью электрических сигналов, т. е. электросвязь. Структура электросвязи фактически нам известна: передатчик сигнала – канал связи – приемник. Радиосвязь - частный случай электросвязи. В случае радиосвязи канал связи - это среда передачи электромагнитных волн.

Естественным спутником передачи сигнала являются помехи. Для исключения помех и для сохранения секретности информации применяют методы кодирования сигналов. Для передачи разных сигналов-сообщений необходимы разные полосы частот, т. е. свои каналы связи. Телефонные каналы работают в пределах от 300 до 3400 Гц, каналы звукового вещания - от 30 до 15 000 Гц, телевизионного вещания - от 50 Гц до 6 МГц. В одной линии может быть несколько каналов связи.

Совокупность различных свойств определяет длину радиоволны, используемую в конкретных системах связи. Однако влияние оказывают и не только чисто физические факторы. Так, в средней полосе России, где велика плотность населения, широкое распространение получили радиорелейные линии сантиметрового диапазона. Станции-ретрансляторы располагаются в пределах прямой видимости на расстоянии порядка 50 км и позволяют транслировать несколько телевизионных каналов и огромное количество телефонных. В районах Крайнего Севера, где плотность населения невелика, целесообразно применять радиорелейные линии дальнего тропосферного рассеивания, позволяющие ставить ретрансляторы на расстоянии 200 - 1000 км друг от друга. В то же время никакие волны, кроме мириаметровых, не смогут добраться до подводной лодки, лежащей на дне под многометровой толщей соленой воды, из-за сильного поглощения.

При передаче секретных сообщений интерес представляют метеорные линии связи. Ведь, отражаясь от конкретного метеорного следа, как солнечный зайчик от зеркала, волна попадает только в определенную точку, а сама передача информации происходит только во время существования этого метеорного следа.

Для передачи больших потоков информации (ТВ - каналы, сотни и тысячи телефонных, а также каналы передачи информации в цифровом виде) используются системы связи через искусственные спутники Земли, например, «Интелсат» (США), «Молния», «Орбита» (Россия). Широкое распространение в настоящее время получили системы сотовой телефонной связи, когда приемопередающие станции располагаются так, чтобы обеспечить стабильную связь с мобильными приемопередатчиками (сотовыми телефонами) на всей территории обслуживаемого района. Далее эти станции обеспечивают выход на проводную телефонную сеть, междугородную или международную.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

С помощью радиоволн можно передавать на расстояния не только звук, но и изображение. Без телевизионной связи сейчас трудно представить нашу цивилизацию. Практически в каждом доме имеется телевизор – источник информации. История создания телевизионного вещания началась в Х1Х веке. Само слово телевидение было введено русским инженером-электриком К. Д. Перским на международном конгрессе в 1900 году. Это слово произошло от греческого слова «теле», что означает «далеко», и латинского – «визо», что означает «смотреть». Возможность видеть события, происходящие в разных уголках земного шара и в нашей Солнечной системе, наблюдать за космическими объектами сделала телевидение незаменимым средством информации и культурного общения всех народов мира. Как же начиналось телевидение? В конце Х1Х века телевизионная лихорадка охватила всю планету. В патентные бюро поступили описания более двадцати пяти проектов – прообразов телевизионных систем. Наиболее интересная система механического телевидения была предложена немецким изобретателем Нипковым. Но механические системы были очень громоздкими. А теперешнее, электронное, телевидение родилось 25 июля 1907 года, когда профессор Петербургского университета Борис Львович Розинг подал заявку в патентные ведомства России, Англии и Германии на изобретенный им способ электрического воспроизведения изображения с помощью электронной развертки. 22 мая 1911 года Б. Л. Розинг впервые в мире демонстрирует изображение четырех параллельных линий, полученное с помощью немеханической приемной системы. Принципиальными особенностями по сравнению с радиосвязью являются: преобразование изображения в электрические сигналы и наоборот, преобразование электрических сигналов в видеоизображение. Это происходит в специальных устройствах: в первом случае – в иконоскопе, во втором случае – в кинескопе. В современных системах цветного телевидения это сложные радиоэлектронные устройства.

Иконоскоп устроен так. В вакуумном стеклянном баллоне укрепляется мозаичный экран- слюдяная пластинка, покрытая очень тонким слоем металла. Наружная поверхность этой пластинки представляет собой мозаику из сотен тысяч крошечных зерен серебра, обработанных парами цезия (множество миниатюрных фотоэлементов). С помощью объектива на мозаике фокусируется изображение предмета. Под действием света из фотоэлементов вследствие внешнего фотоэффекта выбиваются электроны, которые летят на заземленный электрод. Чем ярче свет, тем больше вылетает электронов, тем сильнее электрический импульс. Величина импульса, кроме того, зависит и от количества электронов, заполняющих ячейку. Для восполнения числа потерянных электронов служит электронный прожектор , тонкий луч которого с помощью отклоняющей системы обегает построчно всю мозаику и порождает в цепи переменный ток, который затем усиливается. В результате получается точная развернутая во времени электронная копия распределения света и тени на изображении. Этим током в передатчике модулируется электромагнитная волна, которая и излучается в пространство.

Преобразование электромагнитных волн, электрической энергии в световую энергию и, следовательно, в изображение происходит в приемной трубке телевизора - кинескопе.

Кинескоп представляет собой электронно-лучевой прибор для воспроизведения изображения. Черно-белый кинескоп состоит из вакуумного стеклянного баллона, электронного прожектора , создающего пучок электронов, отклоняющей системы и люминесцентного экрана. Отклоняющие системы бывают двух типов: электростатические и магнитные. В современных кинескопах чаще всего встречаются магнитные системы: электронный луч отклоняется под действием магнитного поля. Принятый антенной телевизионный сигнал преобразуется и подается на электрод. Люминофор светится тем сильнее, чем интенсивнее электронный луч, движение которого синхронизировано с движением электронного луча на передающей трубке. Таким образом, на экране кинескопа создается такое же изображение, как и на мозаике иконоскопа. Внимательно всмотритесь в изображение на телевизионном экране: оно состоит из большого количества горизонтальных линий - их называют строками. Каждый кадр содержит ровно 625 строк. За 1/25 долю секунды луч «прорисовывает» на экране 625 строк, затем процесс повторяется. За секунду кадры сменяются 25 раз! Точности ради отметим, что 625 строк луч рисует не подряд, а через строку: нечетные, а затем четные строки. Число строк и количество кадров в течение секунды выбраны не случайно. Здесь учтены два свойства нашего зрения: инерционность и разрешающая способность. Если бы телевизионные кадры сменялись реже 25 раз в секунду, то изображение на сетчатке исчезло бы раньше, чем на экране появлялся бы следующий кадр. Глаз стал бы фиксировать мелькания. Вы, наверное, видели, как смешно движутся люди в старых кинокартинах. Это объясняется тем, что число кадров в секунду в то время было слишком мало – 16 в секунду. При проектировании телевизоров расстояние между строками выбирают таким образом, чтобы сидящий на расстоянии 2 м от экрана человек не видел бы отдельных строк. Поскольку при этом весь кадр виден под углом около 10 0 , т. е. 600", а разрешающая способность глаза составляет 1", то строк должно быть более 600 (а их 625)

ЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

В вещательном цветном телевидении наиболее распространены так называемые масочные цветные кинескопы, в которых экран образован неразличимыми глазом узкими полосками или точками люминофоров - красного, зеленого и синего свечения. Три электронных прожектора формируют три сходящихся электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. Это обеспечивается пропусканием подходящих к экрану под различными углами пучков через цветоделительную маску со щелевыми или круглыми отверстиями.

Ощущение всей гаммы цветов обеспечивается сложением в глазу излучения трех люминофоров, возбуждаемых в различных пропорциях видеосигналами, и отражающими содержание синей, зеленой и красной составляющих изображения. Электронно-оптическая система цветного кинескопа сводит три пучка в одну точку.

IV. Закрепление изученного материала.

А). Фронтальная беседа.

1. Какое свойство электромагнитных волн используется в радиолокации?

2. Что называется радиолокацией?

3. Волны, какой длины используются радарами?

4. Для каких целей создают остронаправленную волну?

5. Чем отличается кинескоп от иконоскопа?

6. Назовите области применения радиолокации.

7. Как картинку передать на большое расстояние?

8. Как получают изображение на экране кинескопа?

9. Как в иконоскопе получают изображение и затем передают его в виде электромагнитных волн?

10. Зачем и каким образом, волне придают вид луча?

11. Как и с помощью чего радар усиливает принятую отраженную радиоволну?

12. Чем объясняется лучшая слышимость радиостанций зимой?

Б). Решение задач:

1.Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 200 Гц?

2. На каком расстоянии от радиолокатора находится самолет, если отраженный от него сигнал принят через 210 -4 с после посылки этого сигнала?

3.Определить период колебаний в колебательном в колебательном контуре, излучающем электромагнитные волны длиной 450 м.

4. Радиосигнал, посланный на Луну, отразился и был принят на Земле через 2,5с после посылки. Определить расстояние от Земли до Луны.

5. На какой частоте корабли передают сигналы бедствий SOS если по Международному соглашению длина волны равна 600 м?

6. Определить дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду.

7. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300 метров за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2 кГц?

1. 
   Определите дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду?
2. 
   Определите период и частоту радиопередатчика, работающего на волне длиной 30 м.
3. 
   Определите частоту и длину волны радиопередатчика, если период его электрических колебаний 10 -6 с.
4. 
   Сколько радиостанций может работать без помех в диапазоне длин волн 200-600 м, если каждой станции отводят полосу частот 4 кГц?

VI. Домашнее задание: § 55 - 57.

Радиолокацией называется обнаружение, определение координат и параметров движения различных объектов (целей), отражающих, переизлучающих или излучающих электромагнитную энергию (радиоволны). Термин «локация» происходит от латинского location – размещение, расположение. Комплекс радиотехнических устройств, выполняющих указанную задачу, представляет собой радиолокационную станцию (РЛС) , или радиолокатор.

Радиолокационным объектом может быть любое физическое тело или группа тел, электрические и магнитные свойства которых (диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость) отличаются от свойств среды, в которой распространяются радиоволны. В условиях мореплавания такими объектами являются суда, знаки навигационного ограждения, береговая черта, айсберги, надводные и береговые сооружения и пр.

Радиолокационные объекты могут быть точечными и протяженными.

Радиолокационное изображение на экране индикатора РЛС (отметка) точечных объектов или целей имеет одинаковую форму и размеры. Точечными объектами являются малоразмерные надводные цели, например буй, веха с отражателями или без них.

Точечным объектом может оказаться также и крупноразмерная цель, например, судно среднего или большого тоннажа, если оно находится на большом расстоянии от РЛС.

Радиолокационное изображение протяженного объекта повторяет в соответствующем масштабе форму и размеры самого объекта.

Полезная информация о радиолокационном объекте доставляется радиосигналами, приходящими от объекта к радиолокационной станции. В зависимости от происхождения этих сигналов радиолокация подразделяется на пассивную и активную.

Пассивная радиолокация (рис 2.1)

РЛС пассивной системы содержит в своем составе приемную антенну направленного действия, радиоприемное устройство и индикатор (рис. 2.1).

Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций и создание им помех. Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным тепловым радиоизлучением. Поэтому пассивная радиолокация называется часто радиотеплолокацией .

Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности. C помощью РЛС пассивной системы можно, например, различать границу между водой и сушей, определять трассу проходящих судов, так как температура кильватерной струи бывает выше температуры воды.

Кроме того, пассивные РЛС используются для обнаружения и определения координат воздушно-космических объектов, в частности баллистических ракет на активном участке полёта, и угловых координат таких источников радиоизлучения как Солнца, Луны и звезд. Последнее служит навигационным целям определения широты и долготы точки размещения РЛС. На этом принципе работают так называемые радиосекстаны .

В отличие от активной радиолокации, пассивная радиолокация не позволяет найти дальность объекта по данным приёма сигналов только в одном пункте. Для полного определения координат объекта необходимо совместное использование двух (или более) РЛС, разнесённых на некоторое (известное) расстояние.

Дальность действия пассивных РЛС при резко контрастных объектах может превосходить дальность действия активных (излучающих) РЛС. Точности измерения угловых координат пассивными и активными РЛС примерно одинаковы, точность определения дальности у пассивных РЛС, как правило, ниже.

2.1.2. Активная радиолокация (рис 2.2)

Активная система радиолокации может быть с пассивным (первичная радиолокация ) и активным ответом . РЛС с пассивным ответом содержит радиопередатчик, приемопередающие антенны, радиоприемник и индикатор (рис. 2.2.). Электромагнитная энергия прямых или зондирующих сигналов, излучаемых передающей антенной, распространяясь в пространстве, отражается от объекта и принимается приемником.

C выхода приемника усиленные отраженные сигналы поступают на индикатор, где преобразуются в форму, удобную для получения информации о принятых сигналах.

Активная радиолокация с активным ответом отличается от системы с пассивным ответом наличием на объекте или заранее обусловленном пункте приемопередатчика (ответчика), который отвечает на сигналы РЛС (запросчика). Такая система позволяет не только обнаружить и определить координаты объекта, но и опознать объект.

В зависимости от структуры зондирующих радиолокационных сигналов различают два метода радиолокационного обнаружения:метод непрерывного излучения колебаний и импульсный.

ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ

В основе наиболее распространённого вида радиолокации - радиолокации с зондирующим излучением - лежит явление отражения радиоволн. Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные импульсы сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ), а в промежутке между посылаемыми (зондирующими) импульсами принимает отраженные от объектов импульсные сигналы. Отраженный импульсный сигнал от каждого объекта запаздывает по отношению к зондирующему сигналу на время

t D =2D/с, где

D – расстояние до объекта;

с – скорость распространения радиоволн.

По этому интервалу времени определяется расстояние или дальность

D=ct D /2 ,

а с помощью остронаправленной антенны РЛС – направление (курсовой угол или пеленг) на обнаруженный объект (цель).

При одновременном обнаружении нескольких объектов принимаемые отраженные сигналы будут смещены во времени в зависимости от дальности до этих объектов. Отмеченная особенность импульсного режима работы РЛС позволяет довольно просто одновременно наблюдать за многими объектами, расположенными в радиусе действия РЛС.

К преимуществам импульсной РЛС относится также сравнительная простота использования одной и той же антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов.

Недостатками импульсных РЛС являются необходимость применения больших пиковых мощностей; сложность определения скорости движения объектов; невозможность измерения очень малых расстояний и относительно большая минимальная дальность радиолокационного обнаружения, зависящие от длительности импульсов, минимальное значение которых ограничивается шириной частотного спектра и временем протекания переходных процессов в аппаратуре.

Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества импульсного метода радиолокации, обеспечивающие работу РЛС в режиме кругового обзора, являются решающими для судовых навигационных РЛС.

Импульсная РЛС содержит в своем составе следующие основные элементы, показанные на структурной схеме (рис. 2.3):

синхронизатор , вырабатывающий последовательность незатухающих видеоимпульсов для управления (синхронизации) работой передатчика, приёмника и индикаторного устройства;

передатчик, состоящий из модулятора и генератора сверхвысокой частоты (ГСВЧ), который под действием синхронизирующих импульсов генерирует мощные, короткие радиоимпульсы СВЧ;

антенно-фидерное устройство , содержащее остронаправленную антенну и волноводную линию, соединяющую антенну с приемопередатчиком;

антенный переключатель , коммутирующий антенну с передачи на приём и обратно, запирающий приёмник во время излучения зондирующего импульса и блокирующий выходные цепи передатчика при приеме отраженных сигналов;

приемник, усиливающий принятые отраженные сигналы и преобразующий их в видеоимпульсы, которые поступают в индикатор;

индикатор, преобразующий напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение (отметку) на экране ЭЛТ и выдающий координаты объекта (цели);

блок передачи данных (БПД) углового положения антенны для связи с индикатором.

Работа импульсной РЛС иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис. 2.4. Запускающие импульсы 1 синхронизатора с периодом следования или повторения T и поступают одновременно (либо с постоянной задержкой) на модулятор передатчика и индикатор. Импульсный модулятор передатчика вырабатывает модулирующие видеоимпульсы 2 длительностью τ и , воздействующие на ГСВЧ, который генерирует радиоимпульсы 3 , длительностью, равной примерно длительности модулирующих импульсов. Радиоимпульсы ГСВЧ через антенный переключатель поступают в антенну и излучаются, выполняя функцию зондирующих сигналов. Через интервал времени tD на входе приемника возникают отраженные сигналы 4 , которые усиливаются и детектируются приемником. В результате детектирования на выходе приемника создаются видеоимпульсы 5 , смешанные с шумом (помехой), которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ индикатора, создавая амплитудную или яркостную отметку на экране в зависимости от способа модуляции электронного луча ЭЛТ.

D=ct D /2 ,

Включаемый одновременно с передатчиком индикатор формирует импульс 6 напряжения временной развертки ЭЛТ с длительностью прямого хода, равной t=2Dmax/c , где Dmax – максимальная дальность на шкале индикатора. Временная развертка обеспечивает отсчет дальности, а данные углового положения антенны, поступающие на индикатор через блок БПД, – отсчет азимута обнаруженного объекта (цели).

В настоящее время на некоторых образцах современных РЛС импульс, посылаемый станцией, представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Угловые координаты, т.е. направления на обнаруживаемый объект, определяют методом пеленгования с помощью направленной антенны. В зависимости от антенной системы РЛС методы определения угловых координат могут быть амплитудными и фазовыми . Амплитудные методы, использующие направленные свойства антенны, основаны на сравнении амплитуд сигналов, отраженных от объектов и принятых различными приемными антеннами.

На практике в судовых радиолокационных системах используются следующие амплитудные методы: максимума, сравнения или равносигнальный .

При определении направления (пеленгации) по методу максимума антенна плавно поворачивается, и в момент, когда объект окажется в пределах диаграммы направленности антенны, на вход приемника будут поступать отраженные сигналы (рис. 2.5). Если объект является точечным, т. е. его угловые размеры меньше, чем ширина диаграммы направленности антенны, и сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала меняется по закону изменения формы диаграммы направленности антенны .

Когда ось диаграммы направленности антенны совпадает с направлением на объект, напряжение на входе приёмника оказывается максимальным и указатель поворота антенны даст отсчет курсового угла или пеленга на объект .

Достоинством метода максимума является

его техническая простота и возможность получения наибольшего значения отношения сигналшум, так как в момент определения угловой координаты принимаемые отраженные сигналы имеют наибольшую амплитуду, отчего увеличивается дальность радиолокационного обнаружения.

Кроме того, наличие отраженного сигнала в момент пеленгования позволяет наблюдать объект на экране индикатора и измерить его координаты. Благодаря этим особенностям метод максимума широко используется в радиолокационных системах, работающих в режиме кругового обзора, например, судовых навигационных радиолокационных станциях.

Основным недостатком данного метода является относительно низкая точность определения угловой координаты вследствие того, что вблизи максимума диаграммы направленности антенны интенсивность принимаемых отраженных сигналов меняется очень мало.

Основным параметром антенной угломерной системы является ее пеленгационная характеристика , которая представляет собой зависимость входного напряжения приемника от направления приходящих отраженных сигналов U вх (a). Точность измерения направления определяется крутизной пеленгационной характеристики или пеленгационной чувствительностью, которая является производной пеленгационной характеристики при = 0:

Зная минимальную величину изменения входного напряжения , которое можно заменить при пеленговании методом максимума, можно определить угловую ошибку , которая будет равна

Следовательно, с уменьшением величины , и увеличением крутизны пеленгационной характеристики точность отсчета угловых координат повышается. Однако из-за того, что при максимальном методе пеленгования пеленгационная чувствительность очень мала, ошибки пеленгования методом максимума будут равны , где –ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности, что соответствует уровню 0,7 диаграммы по напряженности поля.

Для повышения точности пеленгования необходимо применять остронаправленные антенны с более узкой диаграммой направленности. Это достигается использованием более коротких волн и увеличением размеров антенны.

Для РЛС с одной антенной, работающей на передачу и прием отраженных сигналов, диаграмма направленности антенны используется в формировании огибающей дважды: при передаче и при приеме сигналов. Поэтому результирующая диаграмма равна произведению диаграмм передающей и приемной антенн.

ПРОСТАНСТВЕННЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР

Чтобы обнаружить объект, антенна РЛС должна периодически облучать все точки зоны, подлежащей контролю, т. е. совершать обзор заданного пространства. Различают последовательный, параллельный и смешанный виды обзора.

При последовательном обзоре луч антенны РЛС перемещается в пределах заданной зоны, периодически повторяя заданную траекторию. Время T обз , необходимое для однократного перемещения луча по всей зоне обзора, называется периодом обзора .

Наиболее распространенным видом последовательного обзора является круговой (или секторный) линейный обзор , широко используемый в судовых навигационных РЛС для обнаружения и определения координат надводных и наземных объектов (рис. 2.6.). В этом случае луч антенны с равномерной скоростью перемещается в горизонтальной плоскости, совершая круговое или (при секторном обзоре) возвратно-круговое движение.

Скорость вращения антенны выбирается такой, чтобы период T обз обзора был меньше. Это повышает точность измерения координат и уменьшает скачки отметки отраженных сигналов от движущегося объекта, воспроизводимых на экране индикатора.

Однако уменьшение T обз снижает накапливание энергии отраженных сигналов и ухудшает тем самым условия наблюдения сигналов на экране индикатора при наличии помех.

Время t обл облучения точечного объекта зависит от угла направленности антенны в горизонтальной плоскости и угловой скорости обзора:

где a г – угол направленности антенны в горизонтальной плоскости, град.;

– угловая скорость обзора, град/ сек.

Между угловой скоростью и частотой вращения антенны n в оборотах в минуту имеет место следующая зависимость: . Тогда время облучения .

Задаваясь временем облучения и шириной диаграммы направленности антенны, можно найти предельную угловую скорость обзора , и максимальную частоту вращения антенны .

Отсюда минимальная величина периода кругового обзора равна .

Время облучения выбирается исходя из периода T и следования импульсов и заданного минимального числа N min отраженных импульсов в пачке, необходимого для уверенной фиксации объекта на экране индикатора,

Следует отметить, что при обнаружении и определении координат воздушных объектов, кроме дальности и азимута, необходимо еще определять угол места (или высоту). В этом случае применяются более сложные методы пространственного обзора: винтовой, зигзагообразный или телевизионный, спиральный, конический, которые относятся к виду последовательного обзора.

МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Метод непрерывного излучения колебаний при радиолокационном обнаружении объектов основан на эффекте Доплера , при котором частота сигнала, поступающего на приемное устройство, меняется в зависимости от относительной скорости движения между передатчиком и приемником. В результате Доплеровского эффекта принимаемая частота выше – при уменьшении расстояния между передатчиком и приемником и ниже – при увеличении этого расстояния. Если относительное движение отсутствует, то принимаемая частота точно соответствует передаваемой частоте.

Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую А пер и приемную А пр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). В зависимости от назначения РЛС на его выходе включаются либо наушники, либо частотомер (рис.2.7).

Рис.2.7. Структурная схема Доплеровской РЛС

Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера.

В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражённый от цели. В смесителе они сравниваются, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской.

F Д = 2f 0 V p / c = 2V p / l , где

f 0 - частота излучаемого сигнала; V p - радиальная скорость цели;

c - скорость радиоволн, равная скорости света.

При наличии развязывающего устройства излучение и приём сигналов в доплеровской РЛС осуществляется на одну антенну (см. подраздел 11.1, рис. 11.4).

Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т.е. ввести в генератор частотную модуляцию , то появляется возможность измерить дальность.

Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала будет изменяться также, но с запаздыванием на некоторое время t , время распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика, в какой - то момент t 1 равна f 1 , то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t 1 +t успеет измениться до значения f 1 +Df , и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Df (рис 2.8).

Рис. 2.8. Изменение частоты сигнала передатчика и отражённого сигнала

при частотной модуляции излучаемых колебаний

Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - модулированные локаторы нашли свое применение в авиации, на морских судах, а также для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, обеспечивающие очень высокую точность определения дистанции.

В судовождении доплеровские РЛС применяются для измерения скорости причаливания крупнотоннажных морских судов при швартовке их к причалу, в связи с тем, что многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150-200 тыс. т, если его скорость превышает 3-5 м/мин.

Важным фактором при выборе диапазона длин волн является характер отражения радиоволн от целей. Если размеры цели и радиусы кривизны отдельных ее участков много меньше длины волны, то интенсивность отражения мала. При этом цель можно уподобить антенне с очень малой^дей-ствующей высотой или малой эффективной площадью.

Другой крайний случай, когда размеры цели и радиусы кривизны отдельных участков много больше длины волны, близок к оптическому; интенсивность отражения достигает заметной величины, мало зависит от длины волны и определяется в основном отражающими свойствами и размерами цели. В промежуточном случае соизмеримости размеров цели или ее отдельных участков с длиной волны возможно резонансное возбуждение участков поверхности цели, при котором интенсивность отражения заметно возрастает в некоторых направлениях.

Учитывая размеры реальных целей, приходим к выводу, что для того чтобы длина волны была много меньше этих размеров или соизмерима с ними, в радиолокации необходимо использовать ультракороткие волны (УКВ). Другая причина использования этого диапазона, особенно волн более коротких, чем метровые, связана с размерами антенн. Дело в том, что угловая ширина диаграммы направленности антенны независимо от ее типа прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна соответствующему размеру.

Для зеркальной антенны в виде усеченного параболоида ширина луча по точкам половинного значения мощности (в градусах)

где % - длина волны, a dp, - максимальный линейный размер зеркала в плоскости луча, так что, например, при Я = = 3 см для получения ширины луча 9 0 8 = 3° требуется йа » = 65 см, а чтобы луч имел такую ширину при длине волны К -3 м, размер зеркала а*х должен составлять 6,5 м.

формула (1) показывает, что острый луч, обеспечивающий разделение нескольких целей по угловой координате и высокую точность определения координат при заданных размерах антенны, можно получить только при достаточно короткой волне X.

Поэтому в ряде авиационных РЛС используют сантиметровые радиоволны, а для обзора летного поля в аэропортах - миллиметровые.

С точки зрения повышения разрешающей способности и точности {т. е. информативности радиолокационного сигнала) необходимо расширять полосу частот зондирующего сигнала, что, например, достигается уменьшением длительности зондирующих импульсов либо применением специальных сложных сигналов. Естественно, что расширение полосы передаваемых частот требует повышения несущей частоты сигнала.

При выборе диапазона волн важное значение имеют особенности распространения радиоволн в атмосфере, в частности резонансное поглощение (например, для кислорода на частоте 60 ГГц поглощение составляет около 14 дБ/км), что вынуждает избегать применения соответствующих частот.

В современных РЛС используются дециметровые, сантиметровые, миллиметровые радиоволны, а в лазерных локаторах - волны оптического диапазона. Согласно рекомендациям Международной организации гражданской авиации ОСАО), радиолокации отводится почти 30% диапазона частот 1...10 ГГц. Широко используются полосы частот, где средняя длина волны А, ср = (20, 10, 5,3) см. В иностранной литературе ширина частотного спектра часто ^оценивается в октавах (интервал, для которого отношение граничных частот fdfi =5 2).

Обозначения участков частот, образующих октавы, приведены в табл. 1.

В диапазоне 30.. Л ООО МГц для работы РЛС выделены определенные полосы частот (например, 137... 144, 216.. .225,400.. .450,890.. .942 МГц). Следует отметить, что метровый диапазон в настоящее время сравнительно редко используется для целей радиолокации. Вместе с тем, так как УКВ, как правило, распространяются лишь в пределах прямой видимости, то для обеспечения загоризонтного радиолокационного наблюдения могут найти применение декаметровые волны.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26

Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами . Радиоволны делятся на группы.

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой . Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой лежит на высоте 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны.

Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. Различают слои ионосферы D, Е и F Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Широкое применение радиоволн для обнаружения целей и измерения координат обусловлено следующими важными свойствами э/м колебаний:

Радиоволны распространяются со скоростью с распространения света как днем, так и ночью, в простых и сложных метеорологических условиях.

Скорость распространения радиоволн является постоянной величиной. Это свойство радиоволн лежит в основе всех методов измерения как расстояний, так и угловых координат, скоростей движения целей.

Радиоволны обладают свойством отражения от любых объектов, которые встречаются на пути их распространения.

Радиоволны распространяются прямолинейно в однородной среде, что и позволяет использовать их для определения угловых координат и расстояния до целей.

Свойство отражения радиоволн от объектов позволяет решать задачу обнаружения и измерения параметров целей. Радиоволны отражаются от границ раздела участков среды с неоднородными свойствами. Например, с различной электрической проводимостью, электрической или магнитной проницаемостью. По структуре отраженного сигнала можно судить о типе цели, ее размерах (ЭОП цели), определять параметры ее движения. При отражении от целей происходит как бы «естественная модуляция» радиоволн: на отражаемые э/м колебания в том или ином виде «накладывается» информация о цели. Т.о., отражение радиоволн от объектов позволяет получить принципиальную возможность обнаружения по наличию в приемном устройстве отраженных э/м колебаний и получить необходимую информацию о цели.

Передача информации с помощью лазера Оптические квантовые генераторы

Для источников света характерна некогерентность излучения, а именно, излучение источников в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами. Примерами некогерентного излучения могут служить: свечение газового разряда, тепловое свечение естественных и искусственных источников, люминесценция. В начале 60-х годов были созданы источники света иного типа, получившие название лазеров. В противоположность некогерентным источникам, э/м волны, зарождающиеся в разных частях лазера (удаленных друг от друга на макроскопические расстояния), оказываются когерентными между собой. В этом отношении лазеры аналогичны источникам когерентных радиоволн. Когерентность излучения проявляется практически во всех свойствах лазера. Энергия излучения зависит от подводимой энергии. Особенностью лазерного излучения является способность к концентрации энергии во времени, в пространстве, в направлении излучения, в спектре. Для нескольких лазеров характерна высокая монохроматичность излучения. В других лазерах используются очень короткий импульсы (10 -12 сек), поэтому мгновенная мощность такого излучения может быть очень большой. Световой поток, выходящий из лазера, обладает очень высокой направленностью. Такое излучение можно сфокусировать на ничтожно малой площади и создать большую мощность. Напряженность электрического поля лазерного излучения составляет порядка 10 4 В/см, напряженность электрического поля солнечного света на экваторе – 10 В/см.

Рассмотрим физические принципы, лежащие в основе работы лазера и свойства излучения последних.