II. Основна частина 70 хв.

1. Скорочена історія розвитку радіолокації. Галузі застосування радіолокації.

1.1 Скорочена історія РЛ.

Радіолокація – галузь радіоелектроніки, котра забезпечує отримання відомостей про об’єкти завдяки прийому і аналізу радіохвиль, що відбиваються, перевипромінюються або випромінюються об’єктом.

Термін “радіолокація” утворено з двох латинських слів: “lokus” – місце і “radio” – випромінювання, які характеризують одну з основних задач РЛ і вказують спосіб її розв’язання, котрий засновано на використанні радіохвиль.

Радіохвилями прийнято називати електромагнітні коливання з частотою f<3000 ГГц (довжина хвилі λ>0,1мм).

РЛ – достатньо нова галузь науки. Її зародження відноситься до 30-х років минулого століття.

У виданій в США (після закінчення війни) офіційній історії радара (radio – випромінення, and – і, detection – виявлення і ranging – визначення відстані) з цього приводу писалося:

“Ідея РЛ виникла незалежно у різних осіб і в різних країнах світу, після того, як імпульсна техніка стала придатною для виявлення таких об’єктів, як літаки і кораблі. Ця ідея, імовірно, виникла майже водночас в Америці, Англії, Франції, Германії і навіть в Японії.”

Вперше явище відбиття електромагнітних хвиль від неоднорідностей середовища спостерігали в своїх дослідах основоположник радіо О.С.Попов та його учень і соратник Н.А.Рибкін в 1897р. Потім це явище спостерігали американські вчені Тейлор і Юнг в 1922 р.

Однак технічна оснащеність того часу не змогла забезпечити розвиток ідеї відкриття для виявлення об’єктів.

З початку 30-х років розвиток авіації гостро поставив на порядок денний питання про пошук нових, більш удосконалених способів виявлення літаків. Технічна база системи ППО того часу складалася з оптичних приладів і звукоуловлювачів, які мали обмежені можливості. Так, оптичні прилади можна використовувати тільки у світлий час, а якість роботи акустичних приладів сильно залежала від сторонніх шумів і вітру.

В 1930 році створюють тепловиявлячі (Двияв=10…12 км для великих цілей).

В цей час за кордоном різні фірми почали виготовляти усілякі системи виявлення, що засновані на використанні прожекторів, звукоуловлювачів і автоматики (системи “Сперрі”, “Когнед” та інші). У нас також з’явилися аналогічні системи “Спрути”, котрі являли собою системи чудернацько зігнутих звукоуловлюючих труб.

Ініціатором вітчизняних робіт по створенню радіолокаційних засобів дальнього виявлення літаків був військовий інженер Ощепков (закінчив МЕІ), який висунув ідею радіовиявлення в 1932 році, а в 1933 р. у доповіді Наркому Оборони він сформулював принципи побудови ППО на основі засобів радіовиявлення літаків.

В лютому 1934 р. в журналі “Збірник ППО” (№ 2, 3, 4) вийшла стаття підготовлена Ощепковим з назвою “Сучасні проблеми розвитку ППО” де було викладено принципи електромагнітного виявлення літаків.

Дослівно: “Сутність виявлення літаків за допомогою ЕМХ складається в тім, що якщо мати джерело генерування метрових, дециметрових або сантиметрових електромагнітних хвиль і випромінювання цих хвиль від джерела генерування спрямувати у простір, то спрямовуючи такий промінь ЕМХ на будь-який предмет, можна отримати завжди, зворотний відбитий промінь. Прийнявши такий відбитий промінь і визначивши напрямок його розповсюдження, можна визначити не тільки напрямок на відбивну поверхню, але й місце її знаходження. Вимірюючи час від посилання цих хвиль до їх зворотного прийому, що може бути зроблено модуляцією, тобто накладанням на основну частоту додаткової частоти, можна точно визначити час проходження цих хвиль. А оскільки швидкість поширення ЕМХ постійна, остільки відстань до відбивної поверхні, тобто до літака, вийде як наслідок”.

Наприкінці 1934 р. Управління ППО доручило Ленінградському технічному інституту розробку конкретного зразка апаратури радіолокаційного виявлення. Робота проводилася під керівництвом інженера Б.К.Шембеля.

В результаті було створено перший зразок радіолокатора – “Рапід” (Д_вияв=3км), що працював в метровому діапазоні хвиль і неперервному режимі випромінювання. З 1935 року основні роботи по створенню радіолокаційних засобів проводив Фізико – технічний інститут АН СРСР , очолюваний академіком О.Ф.Іоффе.

Починаючи з 1939 року на озброєння ППО були прийняті розроблені під керівництвом інженера Стогова, рознесені радіолокатори неперервного випромінювання “Ревень”, котрі подалі стали називати РУС-1 (радиоулавливатель самолетов). До початку Великої Вітчизняної війни було виготовлено і розгорнуто 45 комплектів таких радіолокаторів (P=1кВт, λ=3,8¸4,4м). Це був перший в світі радіолокатор. Він не вимірював дальності до цілі, мав низьку роздільну здатність, внаслідок чого в 1940 р. був знятий з виробництва.

В 1935 році радянські вчені Рожанський і Кобзарєв при розробці станції виявлення літаків вперше застосували імпульсний метод радіолокації. В 1935 році стаціонарна установка, що працювала в 4-и метровому діапазоні. На іспитах по одному імпульсу продемонструвала дальність виявлення 50¸70км. Це була перша в світі імпульсна РЛС, яка вимірювала дальність до цілі і мала роздільну здатність по дальності.

Успішні іспити макета імпульсного локатора довели, що проблема дального радіовиявлення літаків з науково – технічної точки зору розв’язана і подальша її реалізація потребує тільки інженерно – конструкторських зусиль.

На початку 1940 року в НДІ було виготовлено декілька дослідних зразків імпульсних станцій. Апаратура РЛС (передавальна, приймальна, агрегатна) розміщувалась в трьох автомобілях. Станція виявляла поодинокі цілі, що рухалися на висоті 6 км., на дальності 120 км. і вимірювала дальність із точністю ±2км. і азимут ±4°. Тривалість імпульсу складала 10¸2мкс., імпульсна потужність – порядку 100 кВт.

26 липня 1940 р. імпульсний локатор РУС-2 , було прийнято на озброєння.

Станція мала дві антени. В подальшому (в 1940 р.) з’явилися одноантенні імпульсні станції : рухома станція “Редут” і перевозима в ящиках “Пегматіт”.

Із серпня 1941 р. і до кінця Великої Вітчизняної Війни РЛС “Редут” і “Пегматіт” (РУС-2С) були основними засобами розвідки повітряного противника і радіолокаційного забезпечення бойових дій винищувальної авіації.

Щодо простоти будови і експлуатації, надійності функціонування, вартості , умов транспортування, часу приведення станції з походного в бойовий стан, станції РУС-2 значно перевищували аналогічні в США (СЦР-270, СЦР-527, СЦР-627), Англії (МРО), Германії (Фрейд, Васерман).

В 1944 році створена трикоординатна РЛС дальнього виявлення і наведення П-3. Для вимірювання висоти в ній використовувалась двоярусна антена і гоніометр (Д=145км., ΔД=±0,8км., ΔH=±700м., Δβ=±1,3°).

Якісний стрибок в розвитку РЛ стався в післявоєнний період:

· освоюються нові діапазони хвиль;

· зростають потужності випромінювання;

· з’являються нові методи РЛ;

· широке розповсюдження отримує обробка РЛІ за допомогою ЕОМ.

Висновки: виникнення, подальший розвиток РЛ техніки і її використання в інтересах розв’язування задач ПС привели до суттєвої зміни засобів ПС – появі принципової можливості виявляти і знищувати засоби повітряно–космічного нападу противника незалежно від часу доби, погодних умов, на різних висотах і дальностях.

1.2 Галузі застосування РЛ.

РЛ техніка знайшла широке використання, як у військовій справі, так і в народному господарстві.

Засоби РЛ застосовують для:

· безпеки руху літаків і кораблів (особливо у нічний час і за умов поганої видимості);

· управління повітряним рухом;

· метеорологічних цілях (визначають місцезнаходження метеоутворювань, склад і стан атмосфери Землі, що дозволяє проводити прогноз погоди);

· дослідження навколишнього простору, виявлення метеоритів, огляду космічного простору, запуску і супроводження космічних кораблів і штучних супутників Землі;

· астрономічних спостережень;

· топографічних зйомок;

· виявлення цілей і наведення винищувачів і ракет на цілі (наземні і бортові);

· охорони важливих об’єктів і т.і.

2. Основні визначення і задачі, що вирішує РЛ.

Радіолокація – галузь радіоелектроніки, котра забезпечує отримання відомостей про об’єкти за рахунок прийому і аналізу радіохвиль.

Об’єкти РЛ (радіолокаційні цілі) – фізичні тіла, відомості про які мають практичний інтерес.

В залежності від галузі застосування РЛ, радіолокаційні цілі можуть бути:

· аеродинамічними (літаки, крилаті ракети, гелікоптери, аеростати, повітряні кулі);

· балістичними і космічними (боєголовки ракет, супутники, космічні кораблі);

· наземними і надводними (автомобілі, танки, кораблі);

· цілі природного походження (метеоутворення, планети, гори, лісові масиви тощо).

Радіолокаційна інформація (РЛІ) – сукупність відомостей про цілі, котрі отримують засобами радіолокації.

Радіолокаційна станція (радіолокатор, радар) – технічний засіб для отримання РЛІ.

Основні задачі РЛ або процес отримання РЛІ можна розділити на чотири етапи:

· виявлення цілей;

· вимірювання координат і параметрів руху цілей;

· розділення цілей;

· розпізнавання цілей.

Виявлення складається з прийняття рішення про наявність або відсутність цілі в заданій області простору.

Вимірювання зводиться до визначення місцезнаходження (координат) цілі і параметрів її руху.

В РЛС для вимірювання координат цілі використовується сферична система координат (рис.1), в якій визначається похила дальність R_ц, азимут β_ц, і кут місця e_ц.

Рис. 1. Сферична система координат

Похила дальність R_ц – це відстань від РЛС до цілі

Азимут b_ц – це кут між вихідним напрямком (на північ) і проекцією на горизонтальну площину лінії “РЛС - ціль”

Кут місця e_ц - це кут між лінією “РЛС - ціль” і проекцією цієї лінії на горизонтальну площину.

Параметри руху цілі: - швидкість цілі (радіальна V_r, тангенціальна V_τ, шляхова V_ц), прискорення.

Розділення цілей зводиться до виявлення і вимірювання координат і параметрів довільної цілі за наявності в зоні спостереження інших цілей.

В РЛ розділення цілей проводиться по дальності, кутовим координатам, швидкості і т.і.

Для характеристики роздільної здатності РЛС по координатах в РЛ вводиться поняття “роздільний об’єм”.

Розміри цього об’єму по дальності, в азимутальній і кутомісцевій площинах установлюються так, що наявність цілі в центрі сусіднього об’єму практично не погіршує показники якості виявлення і вимірювання координат цілі, котра розташована в центрі виділеного об’єму (рис.2).

Величини Δ_r, ΔL_β, ΔL_ε визначають мінімальні відстані (або кути) між цілями, за якими вони можуть розділятися по даним координатам.

Розпізнавання складається у встановленні приналежності цілі до певного класу за результатами обробки відбитих (або випромінюваних) від неї радіолокаційних сигналів. (свій, чужий і т.і.).

Рис.2. Пояснення до роздільної здатності

3. Фізичні основи радіолокації. Види РЛ.

3.1 Фізичні основи РЛ.

В основі радіолокації лежать наступні фізичні явища:

1). Постійність швидкості розповсюдження радіохвиль в однорідних ізотропних середовищах.

2). Прямолінійність розповсюдження радіохвиль в однорідних ізотропних середовищах.

3). Відбиття радіохвиль від перешкод. Перешкодою для радіохвиль може бути будь-яка неоднорідність електричних параметрів середовища e, m.

4). Можливість концентрування електромагнітної енергії у вузькі пучки за допомогою антен.

,

q - кутова ширина променя,

l - довжина ЕМХ,

L - лінійні розміри антени,

k - коефіцієнт пропорційності, котрий залежить від амплітудно – фазового розподілення поля в апертурі антени.

5). Частота ЕМХ, відбитих від рухомого об’єкту, відрізняється від частоти ЕМХ, відбитих від нерухомих об’єктів, на частоту Допплера.

,

де V_r - радіальна швидкість цілі (швидкість цілі у напрямку на РЛС) (рис.1).

Перші три фізичних явища дозволяють визначити дальність до цілі, перші чотири – кутові координати, п’яте – радіальну швидкість цілі і виділити рухомі цілі на фоні нерухомих.

3.2 Види РЛ.

Джерелами інформації в РЛ є радіосигнал відбитий, перевипромінений, або випромінений ціллю.

У відповідності з цим розділяються три види РЛ:

· активна з пасивною відповіддю;

· активна з активною відповіддю;

· пасивна.

Рис.3. Активна РЛ з пасивною відповіддю.

Якщо передавач і приймач знаходяться на одній позиції, то РЛС називається суміщеною.

Рис.4. Однопозиційна РЛС

Ще бувають двопозиційні РЛС (бістатичні) і багатопозиційні. Їх переваги:

· високоточне визначення просторового положення цілей;

· збільшення інформації про ціль (опромінювання під різними кутами);

· підвищення перешкодозахищеності і живучості таких систем.

Недоліки:

· труднощі сумісного управління;

· складність передачі великої кількості даних по лініям зв’язку в пункт сумісної обробки;

· високі вимоги до продуктивності обчислювальних засобів;

· складність синхронізації сигналів;

· підвищені вимоги до юстирування позиції і можливостей апаратури обробки сигналів.

Даний вид РЛ широко використовується для дальнього виявлення, цілевказівки і наведення своїх літаків і ракет на літаки (ракети) противника.

У випадку активної РЛ з активною відповіддю випромінений РЛС сигнал (сигнал запиту) приймається приймачем, котрий установлено на борту літака. Після підсилення, перетворення і аналізу запитного сигналу, випромінюється сигнал в напрямку на РЛС (сигнал – відповідь). (Рис.5).

Рис.5. Активна РЛ з активною відповіддю.

Даний вид РЛ використовується для підвищення дальності супроводження своїх літаків і визначення державної приналежності цілей (свій, чужий). Сигнали запиту і відповіді кодуються.

У випадку пасивної РЛ, ціль не опромінюється. Для отримання інформації використовуються сигнали, що випромінюються самою ціллю (Рис.6).

Рис.6. Пасивна РЛ

Джерелами радіосигналів є:

· нагріті елементи цілі (теплолокація);

· радіотехнічні пристрої, що знаходяться на борту цілі (зв’язку, навігації, локації, радіопротидії);

· коливні частинки іонізованих ділянок атмосфери навколо цілі (радіовипромінювання під час запуску ракет або ядерних вибухів).