В настоящее время стали широко известными так называемые радиолокаторы или радары — приборы для обнаружения и определения положения различных объектов с помощью радиоволн.
Сначала радары предназначались только для обнаружения и определения положения самолетов; затем они получили более широкое применение: радарами стали снабжаться ночные истребители (для обнаружения бомбардировщиков), а также и бомбардировщики, благодаря чему стало возможно бомбометание по невидимым целям, например ночью или в случае сильной облачности. Радарами стали пользоваться на военных кораблях, в береговой обороне и т. д. Наконец, радар может с успехом применяться как радионавигационный прибор.
В соответствии с тем или иным назначением бывают различные типы радаров, но принцип их действия один и тот же.
Одним из основных элементов радиолокатора является передатчик. Характерной особенностью его работы является то, что он работает очень короткими, но мощными импульсами, т. е. он поочередно включается и выключается на очень короткое время (рис. 1). Импульсы и промежутки между ними имеют совершенно определенную продолжительность.
Несмотря на то, что передатчик включается на очень короткий промежуток времени, который может длиться всего микросекунду (миллионную долю секунды), в нем за это время успевают возникнуть сотни или тысячи мощных колебаний. Иными словами, частота этих колебаний очень высокая. В радиолокации обычно применяют частоты от ста миллионов до десяти миллиардов колебаний в секунду, что соответствует длинам волн от трех метров до трех сантиметров.
Радиоимпульс, изучаемый передатчиком в пространство с помощью антенн, состоит, таким образом, из большого числа радиоколебаний очень высокой частоты и распространяется со скоростью света. Если этот импульс достигает какого-нибудь предмета, то отражается от него во всех направлениях, и часть отраженной энергии попадает обратно в приемник радара. Этот отраженный импульс носит название «эхо», так как здесь имеется полная аналогия со звуковым эхо. Если мы закричим, т. с. возбудим звуковые волны, и если на пути распространения этих волн встретится препятствие в виде леса, гор и т. п., то волны отразятся обратно и вернутся к нам в виде эхо. В радиолокации тоЖе используется эхо, но не звуковых волн, а радиоволн.
Принятый приемником радара отраженный импульс подастся на отклоняющие пластины катодного осциллографа (этот прибор описывается ниже). С помощью последнего определяется время запаздывания импульса, т. е, то время, которое необходимо импульсу для прохождения от радара до цели и обратно. Так как скорость распространения радиоволн равна скорости света (около 300 ООО километров в секунду), то расстояние между радаром и целью может быть найдено умножением скорости света на половину времени запаздывания.
Принять отраженный импульс можно лишь в тот промежуток времени, когда передатчик не работает. Пауза в работе передатчика, которая наступает после излучения импульса, называется периодом «слушания». После паузы излучается следующий импульс, затем снова наступает пауза и т. д. Отсюда ясно, что частота повторения импульсов зависит от того наибольшего расстояния, которое мы Желаем измерять, так как нам нужно, чтобы отраженный импульс, пришедший от наиболее удаленного объекта, пришел раньше, чем излучится следующий импульс.
Пусть, например, наибольшее расстояние, которое мы желаем измерять, равно 15 км. Время запаздывания равно удвоенному расстоянию, деленному на скорость света, в нашем примере — одной десятитысячной доле секунды. Таким образом, число импульсов в секунду не должно быть больше десяти тысяч. Но, конечно, нет необходимости брать наибольшую допустимую частоту повторения импульсов. Излучают импульсы реже, но так, чтобы число их в секунду было все-таки достаточно велико. В зависимости от различных типов радара число импульсов в секунду выбирают обычно от 250 до 5000.
Теперь остановимся на вопросе о продолжительности самого импульса. Она определяется тем наименьшим расстоянием, которое желают измерить, так как для того, чтобы принять отраженный импульс, необходимо, чтобы длительность импульса была меньше, чем запаздывание сигнала от наименее удаленного объекта. Таким образом, если мы желаем измерять расстояния от 500 м и выше, то наименьшее запаздывание импульса (которое соответствует расстоянию 500 м) будет равно всего 3,3 микросекунды. В этом случае продолжительность импульса не должна быть больше трех микросекунд. В зависимости от назначения радаров, длительность импульса обычно колеблется от одной до десяти микросекунд.
Мы видим, что передатчик радара работает только небольшую часть времени работы всего аппарата, так как он включается всего лишь на несколько микросекунд, а пауза длится сотни микросекунд. Иными словами, длительность импульса очень мала по сравнению со временем молчания передатчика.
Отношение времени, в течение которого передатчик работает по отношению ко времени работы всего аппарата называется скважностью. Для вычисления скважности нужно разделить продолжительность импульса на время совершения одного цикла (импульс + пауза), которое равно, очевидно, промежутку времени между началами двух последовательно излучаемых импульсов.
Мощность в импульсе (пиковая мощность) в передатчиках радара может равняться сотням киловатт. Такие большие пиковые мощности берутся для того, чтобы отраженный от далеких объектов импульс был достаточно интенсивным. При этом ясно, что чем большие расстояния мы желаем измерять, тем большие мощности в импульсе нам нужны.
Если, например, передатчик излучает в импульсе 100 киловатт при скважности в одну тысячную, то его средняя мощность излучения составит всего 100 ватт. Поэтому импульсные лампы, дающие сотни киловатт в импульсе, имеют небольшие размеры.
До сих пор мы говорили только об измерении расстояния до цели. Однако одного лишь расстояния еще недостаточно для определения цели в пространстве. Необходимо еще знать угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей радиолокационную станцию с целью, и поверхностью земли, так называемый угол места е (рис. 4), а также угол в горизонтальной плоскости между направлением на север и вертикальной плоскостью, проходящей через радиолокационную станцию и цель, так называемый азимут (рис. 4).
Для измерения угла места и азимута используется свойство направленной антенны излучать и принимать волны в одном определенном направлении. Излучение от направленной антенны получается в виде узкого луча. Когда такой луч попадает на отражающий объект (самолет, корабль и т. п.), на экране осциллографа появляется отраженный импульс. При этом находят такое положение антенн, чтобы величина отраженного импульса была максимальной. Это соответствует наиболее точному попаданию луча, посылаемого антенной на объект. По положению антенной системы можно определить азимут и угол места (рис. 5).
Для получения четко направленного излучения применяют различные типы антенн, подробное описание которых дать в этой статье нельзя. Остановимся трлько на одном типе направленных антенн, которые применяют для очень коротких волн, имеющих длину в несколько сантиметров или десятков сантиметров. Эти антенны делаются в виде параболических зеркал. Здесь используется тот же принцип, что и в обычных прожекторах, где в фокусе параболического зеркала помещается источник света, лучи от которого, после отражения от зеркала, делаются параллельными (рис. 6). Параллельность пучка получается благодаря тому, что источник света можно считать малым по сравнению с размерами зеркала.
В случае радиоколебаний источником излучения чаще всего служит полуэолновый диполь, т. е. проводник, имеющий длину, равную половине длины волны тех колебаний, которые мы хотели излучать. Колебания подводятся к середине диполя. Провода, с помощью которых осуществляется подводка колебаний для питания диполя, называются фидерами. Существенное свойство фидера состоит в том, что он подводит радиоколебания к диполю без потерь и, в частности, сам он их не излучает.
Если поместить диполь в фокус параболического зеркала, размеры которого достаточно велики по сравнению с размерами диполя, а следовательно, и с длиной волны, то мы получим хорошо направленный луч, как это имеет место в обычном прожекторе.
С помощью таких хорошо направленных лучей с узким сечением можно определить местоположение самолета (или другого объекта) с большой точностью, так что по данным такого радара можно вести прицельную артиллерийскую стрельбу. Но посредством их трудно обнаружить и «поймать» самолет, так же как, например, с помощью только одного прожектора невозможно «поймать» в луч самолет. В последнем случае с помощью звукоулавливателя определяется появление самолета, а также производится грубое определение его положения, а затем уже по этим данным прожектористы находят самолет с помощью прожектора.
Поэтому кроме радара, дающего «острую» направленность излучения, необходимо иметь радар с «тупой» направленностью для обнаружения и для грубого определения местоположения цели.
Для обнаружения целей применяют станции кругового обзора, в которых на экране катодного осциллографа дается вид окружающей местности. Здесь также применяется «Ждущая» развертка, но начало движения электронного пучка происходит не с края экрана осциллографа, а с его центра. Время запаздывания импульса будет определяться расстоянием от центра экрана до изображения отраженного импульса. Одновременно с этой радиальной разверткой применяют круговую развертку, заставляя сравнительно медленно вращаться электронный пучок одновременно с вращением антенны, так что каждому направлению излучения антенны будет соответствовать своя радиальная развертка. При вращении антенны объекты, расположенные кругом радиолокационной станции, будут последовательно «освещаться» и давать отраженные импульсы на экране осциллографа.
При отсутствии отраженного сигнала осциллограф «закрыт», т.е. электронный пучок заперт подачей на цилиндр Венсльта отрицательного напряжения. При появлении отраженного импульса электронный пучок отпирается и на экране осциллографа появляется светящаяся точка. Таким образом, если имеется ряд объектов, расположенных на одинаковом расстоянии от радара, они изображаются на экране в виде светлых пятен, расположенных на одинаковом расстоянии от центра. Итак, в станциях кругового обзора на экране катодного осциллографа мы можем определять не только расстояние до цели, но и ее положение.
Так как круговая развертка производится с небольшой скоростью, то применяют экраны с большим временем послесвечения Это означает, что пятно на экране будет светиться после действия электронного пучка достаточно долго, так что за время одного оборота круговой развертки яркость пятна сильно не уменьшится.
Станциями кругового обзора снабжают не только наземные радиолокационные станции, но также и самолеты для обзора местности. В этом случае на экране осциллографа появляется «изображение» местности, над которой пролетает самолет.
Поверхность воды или металлическая поверхность дают правильное или так называемое зеркальное отражение: если на такую поверхность падает луч, то он не отражается во все стороны, а угол отражения будет равен углу падения. Такой правильно отраженный луч но попадет в приемник радара, кроме того редкого случая, когда луч падает на поверхность перпендикулярно. Если же лучи падают на поверхность земли, то правильного отражения не будет, лучи отразятся во все стороны и часть отраженной энергии попадет в приемник радара. Поэтому несмотря на то, что земля отражает лучи хуже, чем металлическая поверхность или вода, она все-таки дает отражение обратно в радар, в то время как от последних отражения в радар обычно не бывает.
Похожие статьи:
- Теоретическая физика
- Ядерная физика
- Физика и ориентирование птиц в полете
- Физика и структура материи
- Контактные системы зажигания