Astronet > Radiolokaciya. Fizicheskie osnovy i problemy.

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Radiolokaciya. Fizicheskie osnovy i problemy.

A. I. Kozlov (Moskovskii gosudarstvennyi tehnicheskii universitet grazhdanskoi aviacii)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 5, 1996 g. Soderzhanie

Chto takoe element razresheniya

Kazalos' by, my imeem dazhe opredelennoe preimushestvo po sravneniyu s nablyudeniem v opticheskom diapazone, gde ob'ekt harakterizuetsya dvumya chislami: yarkost'yu (koefficientom otrazheniya) i cvetom (kakaya-libo kolichestvennaya harakteristika cveta). Odnako delo obstoit daleko ne tak. Prezhde vsego zametim, chto v podavlyayushem bol'shinstve ispol'zuemyh na praktike radiolokacionnyh stancii (RLS) izmeryaemym parametrom yavlyaetsya vsego lish' odno edinstvennoe chislo - koefficient otrazheniya. Odnako eto ne samoe glavnoe pri sravnenii s opticheskimi ustroistvami. Glavnoe zhe sostoit v sleduyushem. V lyuboi rassmatrivaemyi moment vremeni na vhode priemnogo ustroistva formiruyutsya signaly, porozhdennye radiovolnami, otrazhennymi ot razlichnyh celei, nahodyashihsya na odinakovom rasstoyanii R ot tochki priema. Priem otrazhennyh radiovoln antennoi v osnovnom osushestvlyaetsya v predelah nekotorogo telesnogo ugla $\Delta \Omega$ , dlya kolichestvennoi ocenki kotorogo mozhno ispol'zovat' dva ploskih ugla $\Delta \alpha$ i $\Delta \beta$ v dvuh vzaimno perpendikulyarnyh secheniyah etogo telesnogo ugla. (Velichina kazhdogo iz uglov $\Delta \alpha$ i $\Delta \beta$ opredelyaetsya otnosheniem $\lambda /d$ dliny volny $\lambda$ k lineinomu razmeru antenny d v sootvetstvuyushih secheniyah. Takim obrazom, na vyhode priemnoi antenny voznikayut toki, obyazannye svoim proishozhdeniem elektricheskim i magnitnym tokam, vozbuzhdennym padayushei volnoi na pryamougol'noi ploshadke s lineinymi razmerami $R\Delta \alpha * R\Delta \beta$ , nahodyasheisya ot antenny na rasstoyanii R. Principial'noe otlichie optiki ot radiolokacii zaklyuchaetsya v razmerah etoi ploshadki. Dlya bol'shih nazemnyh radiolokacionnyh stancii ugly $\Delta \alpha$ i $\Delta \beta$ sostavlyayut desyatki uglovyh minut, chto sootvetstvuet otnosheniyu $\lambda /d$ poryadka (3-5)*10^-3. Na rasstoyanii 50 km ot antenny dlya etogo sluchaya lineinyi razmer ploshadki sostavit velichinu poryadka 400-600 m. V dannom primere rech' idet ob ochen' bol'shih i ves'ma redkih antennah. Dlya bol'shinstva zhe antenn santimetrovogo diapazona otnoshenie $\lambda /d$ primerno ravno 0,03-0,05, chto na poryadok huzhe privedennogo primera. Dlya optiki pri diametre antenny vsego lish' v 1 sm iskomoe otnoshenie sostavlyaet velichiny poryadka 10^-5, a poetomu razmery rassmatrivaemoi ploshadki dlya optiki okazyvayutsya principial'no inymi. Ne vdavayas' v podrobnosti, a soslavshis' lish' na avtoritet velikogo Releya, sleduet otmetit', chto vse ob'ekty, raspolozhennye vdol' odnogo napravleniya v predelah dal'nosti, ravnoi $c\tau /2$ , budut vosprinimat'sya nablyudatelem kak odin ob'ekt (zdes' s - skorost' sveta, $\tau$ - dlitel'nost' zondiruyushego impul'sa). Dlya orientirovki provedem ocenochnyi raschet etoi velichiny. Esli ispol'zovat' "obychnyi" radiolokator, to dlya nego dlitel'nost' impul'sa sleduet prinyat' ravnoi na urovne 1 mks; eto dlya iskomogo razmera dast velichinu poryadka 150 m, chto ves'ma sushestvenno. Takim obrazom, vse ob'ekty, nahodyashiesya v predelah parallelepipeda s razmerami $R\Delta \alpha * R\Delta \beta * c\tau /2$ (etot parallelepiped nosit nazvanie razreshaemogo ob'ema, ili elementa razresheniya) budut vosprinimat'sya kak odna cel'. Iz problemy umen'sheniya etogo ob'ema vytekayut pochti vse problemy radiolokacii.

Kak uluchshit' obnaruzhenie radiolokacionnyh celei

Dazhe v ramkah neizmennogo elementa razresheniya imeyutsya dopolnitel'nye vozmozhnosti dlya uluchsheniya obnaruzheniya nahodyashihsya tam radiolokacionnyh celei. K dostatochno effektivnym sleduet otnesti polyarizacionnye metody. Ih sut' svoditsya k sleduyushemu. Pri izmenenii vida polyarizacii izluchaemoi radiovolny proishodit izmenenie moshnosti otrazhennoi radiovolny. Yasno, chto vsegda naidetsya takoi vid polyarizacii zondiruyushei radiovolny, pri kotoroi otnoshenie moshnostei radiovoln, otrazhennyh ot issleduemoi celi i fonovyh ob'ektov, nahodyashihsya v elemente razresheniya, budet maksimal'no. Teoreticheskie raschety i eksperimental'nye rezul'taty pokazyvayut, chto uvelichenie radiolokacionnogo kontrasta dlya mnogih tipichnyh situacii v srednem sostavlyaet 5-8 decibel, dostigaya v otdel'nyh sluchayah 20 decibel i bolee. Sushestvennyi rost kontrasta daet vozmozhnost' sootnosit' izmerennye elementy matricy rasseyaniya s issleduemoi radiolokacionnoi cel'yu. Do sih por rech' shla o nepodvizhnyh po otnosheniyu k radiolokacionnoi stancii celyah. V sluchae ih dvizheniya otrazhennyi signal (effekt Doplera) imeet druguyu po otnosheniyu k ishodnomu signalu chastotu, kotoraya otlichaetsya ot osnovnoi chastoty na velichinu, proporcional'nuyu otnosheniyu radial'noi sostavlyayushei skorosti celi k dline volny. Esli v elemente razresheniya dvizhusheisya yavlyaetsya tol'ko issleduemaya cel', to, osushestvlyaya priem otrazhennyh radiovoln na chastotah, ne sovpadayushih s chastotoi zondiruyushego signala, mozhno razdelit' signaly, idushie ot issleduemoi celi i ot okruzhayushego ego fona. (Eto napravlenie poluchilo v radiolokacii nazvanie selekcii dvizhushihsya celei (SDC). Sistemami SDC snabzheny ochen' mnogie sovremennye radiolokacionnye stancii (RLS).) Nakonec est' eshe odin, hotya i dostatochno ekzoticheskii, metod povysheniya radiolokacionnogo kontrasta. Rech' idet o radiolokacionnyh celyah, otrazhennyi signal ot kotoryh soderzhit chastoty, kratnye po otnosheniyu k chastote zondiruyushego signala - 2f₀, 3f₀ i t.d. Takim svoistvom, kak pravilo, obladayut ob'ekty, imeyushie rzhavchinu, trushiesya elementy, kontakty i t.p. Esli drugie ob'ekty takimi ekzoticheskimi svoistvami ne obladayut, to sootvetstvuyushii radiolokacionnyi kontrast mozhet byt' uvelichen na desyatki decibel. Vnov' vernemsya k elementu razresheniya. Dlya umen'sheniya ego razmerov po dal'nosti est' tol'ko odin put': umen'shit' dlitel'nost' zondiruyushego signala. Sovremennye RLS special'nogo naznacheniya mogut formirovat' impul'sy nanosekundnoi dlitel'nosti, chto obespechivaet razreshenie po dal'nosti do desyatkov santimetrov. Esli umen'shenie dlitel'nosti impul'sov svyazano s tehnicheskimi i konstruktivnymi ogranicheniyami, to problema umen'sheniya gorizontal'nogo i vertikal'nogo razmerov elementov razresheniya, to est' uglov $\Delta \alpha$ i $\Delta \beta$ , natalkivaetsya na fizicheskoe ogranichenie, svyazannoe s tem, chto ugly $\Delta \alpha$ i $\Delta \beta$ proporcional'ny otnosheniyu $\lambda /d$ . Perehod ot santimetrovogo k millimetrovomu diapazonu voln dal vozmozhnost' sokratit' lineinye razmery elementa razresheniya v 3-5 raz pri sootvetstvuyushem sravnenii s santimetrovym diapazonom. Dal'neishee umen'shenie dliny volny natalkivaetsya na problemu rezkogo uvelicheniya energeticheskih poter' radiovolny na trasse rasprostraneniya vsledstvie rosta poglosheniya i rasseyaniya v atmosfernyh meteoobrazovaniyah. Krome togo, voznikayushie pri etom tehnicheskie i konstruktorskie problemy zazhigayut krasnyi svet pered volnami koroche 1 mm. Vtoroi put', svyazannyi s umen'sheniem otnosheniya $\lambda /d$ , svyazan s uvelicheniem lineinyh razmerov antenny. "Lobovaya" ataka na eti razmery privodit k poyavleniyu ochen' bol'shih antennyh sistem i konstrukcii. Odnako, poskol'ku vsya "igra" idet na sootnosheniyah mezhdu fazami toka v razlichnyh tochkah antenny, a v santimetrovom i millimetrovom diapazonah faze v $90^{\circ}$ sootvetstvuyut rasstoyaniya, izmeryaemye millimetrami i ih dolyami, problema yustirovki takih sistem, ih zashita ot temperaturnogo rasshireniya, vetrovogo i dozhdevogo vozdeistviya, kolebanii pochvy i t.p. predstavlyaet soboi samostoyatel'nuyu problemu isklyuchitel'noi slozhnosti. Skazannogo dostatochno, chtoby ponyat' unikal'nost' takih antenn i ih sverhdoroguyu stoimost' pri razrabotke i ekspluatacii. Tem ne menee takie antenny sushestvuyut, no ih chislo v mire ischislyaetsya edinicami. Antenny bolee skromnyh razmerov razmeshayutsya na zemle ili na peredvizhnyh sredstvah. Odnako vpolne ponyatno, chto poluchit' u takih antenn otnoshenie $\lambda /d$ slishkom bol'shim (svyshe 150-200) ne predstavlyaetsya real'nym. Dlya antenn, ustanavlivaemyh na bortu letatel'nyh apparatov, eti razmery ogranichivayutsya lineinymi razmerami nositelei. Popytka umen'shit' ugol $\Delta \alpha$ privela k sozdaniyu vdol'fyuzelyazhnyh antenn. Dlitel'noe vremya kazalos', chto etim ischerpyvayutsya vse vozmozhnosti dlya bortovyh radiolokacionnyh stancii. Proryv proizoshel v nachale shestidesyatyh godov, kogda vpervye bylo obrasheno vnimanie na to, chto obrabotka signala v antenne po sushestvu svoditsya k slozheniyu signalov ot razlichnyh ee uchastkov s uchetom sootvetstvuyushego nabega fazy, vyzvannogo osobennostyami geometrii antennoi konstrukcii. Eto privelo k mysli, chto takuyu obrabotku mozhno sdelat' iskusstvenno. S etoi cel'yu neobhodimo posledovatel'no v raznyh tochkah prostranstva proizvesti izmerenie amplitudy i fazy napryazhennosti elektricheskogo polya, zapomnit' eti znacheniya, a zatem special'nym obrazom ih slozhit'. Realizaciya etoi idei sostoit v tom, chto upomyanutye vyshe izmereniya proizvodyatsya v processe poleta. Eto daet vozmozhnost' iskusstvenno sozdat' antennu, razmery kotoroi opredelyayutsya rasstoyaniem mezhdu pervym i poslednim zamerami, to est' v principe takaya antenna mozhet byt' prakticheski bezgranichnoi. Zdes' my ne budem govorit' o teh teoreticheskih i inzhenernyh trudnostyah, s kotorymi sopryazhena realizaciya etoi idei. Glavnoe - eto to, chto nazvannye trudnosti byli uspeshno preodoleny, chto privelo k sozdaniyu principial'no novogo klassa antenn - antenn s sintezirovannoi aperturoi. Radiolokacionnye stancii, rabotayushie s takimi antennami, poluchili nazvanie RLS s sintezirovannoi aperturoi (RSA). V sovremennyh RSA udaetsya poluchit' otnoshenie $d/\lambda$ , ischislyaemoe neskol'kimi sotnyami, a v otdel'nyh sluchayah dazhe tysyachami. Ispol'zovanie RSA privelo k takomu sokrasheniyu elementa razresheniya, chto radiolokacionnoe izobrazhenie stalo priblizhat'sya k fotograficheskomu (v fotografii "tochka perevoditsya v tochku", v radiolokacii "element razresheniya perevoditsya v tochku"). Segodnyashnii uroven' RSA - eto mnogochastotnaya RLS s upravlyaemoi polyarizaciei izluchaemoi volny, rabotayushaya v real'nom masshtabe vremeni.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: radiolokaciya Publikacii so slovami: radiolokaciya
Sm. takzhe: Radarnoe izobrazhenie Titana Radiolokaciya. Fizicheskie osnovy i problemy. Plavlennaya poverhnost' Venery

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce