Основы радиолокации — Основы радиолокации

Основы радиолокации

Рисунок 1: Принцип работы радиолокатора.

Рисунок 1: Принцип работы радиолокатора.

Основы радиолокации

Принцип работы радиолокатора очень похож на принцип отражение звуковых волн. Если крикнуть в направлении объекта, способного отражать звук (например, каньон или пещера), вы услышите эхо. Если вам известна скорость распространения звука в воздушном пространстве — вы сможете определить направление и дальность до такого объекта. Время, требующееся для того, чтобы вы услышали эхо, можно грубо пересчитать в расстояние, если вам известна скорость распространения звука.

Радиолокатор использует электромагнитные импульсы так, как это показано на Рисунке 1. Электромагнитная энергия проходит от излучателя до отражающего объекта. Небольшая часть отраженной энергии возвращается в точку установка излучателя. Эта энергия называется ЭХО, точно так же, как и в случае со звуковой волной. Радиолокаторы используют эхо чтобы определить направление и дальность до отражающего объекта. Термин РАДАР означает следующее:

RAdio (Aim)° (Aim) Detecting And Ranging
Обнаружение и измерение дальности до цели при помощи радиоволн.

Термин «Радар» бы официально впервые использован Самюэлем Такером и Ф.Р Фюртом из ВМС США в ноябре 1940 года. Акроним был принят к использованию Союзными Силами во Второй мировой войне и, таким образом, получил международное признание.

Он означает электронное оборудование, используемое для определения местоположения объектов с использованием отражения электромагнитной энергии. При некоторых условиях, радиолокаторы могут измерять направление, высоту, курс, скорость и дальность до этих объектов. Для частоты электромагнитных волн, используемых в радиолокации, не имеют значения наличие света и атмосферные условия. Это позволяет радиолокационным системам определять положение самолетов, кораблей и препятствий, которые невидимы невооруженному глазу из-за дальности, темноты или погодных условий.

Современные радары могут получать гораздо больше информации из эхо-сигнала, нежели просто дальность до цели. Но Измерение дальности путем измерения времени прохождения сигнала остается одной из важнейших функций.

Базовое построение радиолокатора

На следующем рисунке изображена блок-схема первичного радиолокатора. Антенна радара облучает цель высокочастотным сигналом. Отраженный сигнал (также называемый эхо), принимается приемной антенной. Излучаемый сигнал генерируется передатчиком высокой мощности, а для обработки отраженного используется высокочувствительный приемник.

Рисунок 2: Блок схема первичного радиолокатора

Рисунок 2: Блок схема первичного радиолокатора

Рисунок 2: Блок схема первичного радиолокатора (интерактивный рисунок)

Все цели производят т.н. диффузное отражение (отраженная мощность распространяется одновременно во множество направлений). Отраженный сигнал также называется рассеиванием. Обратным рассеиванием называется отражение, которое перемещается в направлении, противоположном излученному сигналу.

Радиолокационные сигналы могут быть отображены на индикаторе кругового обзора (ИКО) или других, более новых системах отображения. На ИКО отображается вращающийся вектор, начало которого находится в точке установки радиолокатора, указывающий текущее положение антенны и, таким образом, направление на цель.

  • Передатчик
    Передатчик радиолокатора генерирует короткий радиоимпульс высокой мощности, излучаемый антенной в пространство.
  • Дуплексер
    Подключает к антенне передатчик либо приемник (только одно устройство может использоваться в конкретный момент времени). Переключение важно, так как недопустимо попадание высокой мощности передатчика на вход приемника.
  • Приемник
    Принимает и выполняет демодуляцию полученных радиочастотных сигналов. На выходе приемника видеоимпульсы.
  • Антенна
    Излучает энергию передатчика в пространство с заданной эффективностью и распределением. Аналогично принимает отраженный сигнал.
  • Индикатор
    Индикатор предоставляет наблюдателю удобное, непрерывное графическое отображение целей. Радиолокационный дисплей (в данном случае ИКО) отображает отметки в месте приема эхо-сигналов. Чем больше времени прошло между излученным и принятым импульсом, тем дальше от центра экрана будет отметка. Направление вектора на экране в точности совпадает с текущим положением антенны.

Радары на борту: как работает радиолокатор и для чего нужна АФАР?: uacrussia — LiveJournal


Фото Михаила Полякова

Сегодня авиация немыслима без радаров. Бортовая радиолокационная станция (БРЛС) является одним из самых важных элементов радиоэлектронного оборудования современного летательного аппарата. По мнению экспертов, в скором будущем БРЛС останутся основным средством обнаружения, сопровождения целей и наведения на них управляемого оружия.

Мы попытаемся ответить на самые распространенные вопросы о работе РЛС на борту и рассказать, как создавались первые радары и чем смогут удивить перспективные радиолокационные станции.

1. Когда появились первые радары на борту?

К идее использования радиолокационных средств на самолетах пришли несколько лет спустя после того, как появились первые наземные РЛС. У нас в стране прототипом первой БРЛС стала наземная станция «Редут».

Одной из основных проблем стало размещение аппаратуры на самолете – комплект станции с источниками питания и кабелями весил примерно 500 кг. На одноместном истребителе того времени установить такую аппаратуру было нереально, поэтому станцию было решено разместить на двухместном Пе-2.

Первая отечественная бортовая радиолокационная станция под названием «Гнейс-2» была принята на вооружение в 1942 году. В течение двух лет было выпущено более 230 станций «Гнейс-2». А в победном 1945 году «Фазотрон-НИИР» начал серийный выпуск самолетной радиолокационной станции «Гнейс-5с». Дальность обнаружения цели достигала 7 км.

За рубежом первая авиационная РЛС «AI Mark I» – британская – была передана на вооружение немного раньше, в 1939 году. Из-за большого веса ее устанавливали на тяжелые истребители-перехватчики Bristol Beaufighter. В 1940 году на вооружение поступила новая модель – «AI Mark IV». Она обеспечивала обнаружение целей на дальности до 5,5 км.

2. Из чего состоит бортовая РЛС?

Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съемных блоков, расположенных в носовой части самолета: передатчика, антенной системы, приемника, процессора обработки данных, программируемого процессора сигналов, пультов и органов управления и индикации.

Сегодня практически у всех бортовых РЛС антенная система представляет собой плоскую щелевую антенную решетку, антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку.

Современные БРЛС работают в диапазоне различных частот и позволяют обнаруживать воздушные цели с ЭПР (Эффективная площадь рассеяния) в один квадратный метр на дальности в сотни километров, а также обеспечивают сопровождение на проходе десятки целей.

Кроме обнаружения целей, сегодня БРЛС обеспечивают радиокоррекцию, полетное задание и выдачу целеуказания на применение управляемого бортового оружия, осуществляют картографирование земной поверхности с разрешением до одного метра, а также решают вспомогательные задачи: следование рельефу местности, измерение собственной скорости, высоты, угла сноса и другие.

3. Как работает бортовой радиолокатор?

Сегодня на современных истребителях используются импульсно-доплеровские РЛС. В самом названии описан принцип действия такой радиолокационной станции.

Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками – импульсами. В сегодняшних локаторах посылка импульса длится всего лишь несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами – несколько сотых или тысячных долей секунды.

Встретив на пути своего распространения какое-либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и отражаются от него обратно к радиолокационной станции. При этом, передатчик радара автоматически выключается, и начинает работать радиоприемник.

Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов. Например, для бортовых РЛС проблема в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолета. Эти помехи устраняют, используя эффект Доплера, согласно которому частота волны, отраженной от приближающегося объекта, увеличивается, а от уходящего объекта – уменьшается.

4. Что означают Х, К, Ка и Кu диапазоны в характеристиках РЛС?

Сегодня диапазон длин волн, в котором работают бортовые радиолокационные станции чрезвычайно широк. В характеристиках РЛС диапазон станции указывается латинскими буквами, к примеру, Х, К, Ка или Кu.

Например, РЛС «Ирбис» с пассивной фазированной антенной решеткой, установленная на истребителе Су-35, работает в X-диапазоне. При этом дальность обнаружения воздушных целей «Ирбиса» достигает 400 км.

X-диапазон широко используется в радиолокации. Он простирается от 8 до 12 ГГц электромагнитного спектра, то есть это длины волн от 3,75 до 2,5 см. Почему он назван именно так? Есть версия, что во время Второй Мировой войны диапазон был засекречен и поэтому получил название X-диапазона.

Все названия диапазонов с латинской буквой К в названии имеют менее загадочное происхождение – от немецкого слова kurz («короткий»). Этот диапазон соответствует длинам волн от 1,67 до 1,13 см. В сочетании с английскими словами above и under, свои названия получили диапазоны Ka и Ku, соответственно находящиеся «над» и «под» K-диапазоном.

Радары Ka-диапазона способны работать на коротких расстояниях и производить измерения сверхвысокого разрешения. Такие радиолокаторы часто применяются для управления воздушным движением в аэропортах, где с помощью очень коротких импульсов – длиной в несколько наносекунд – определяется дистанция до самолета.

Часто Ка-диапазон используется в вертолетных радарах.

Таким образом, каждый диапазон имеет свои преимущества и в зависимости от условий размещения и задач, БРЛС работает в различных диапазонах частот. Например, получение высокой разрешающей способности в переднем секторе обзора реализует Ка-диапазон, а увеличение дальности действия БРЛС делает возможным Х-диапазон.

5. Что такое ФАР?

Очевидно, для того чтобы принимать и излучать сигналы, любому радару нужна антенна. Чтобы уместить ее в самолет, придумали специальные плоские антенные системы, а приемник и передатчик находятся за антенной. Чтобы увидеть разные цели радаром, антенну нужно двигать. Так как антенна радара достаточно массивная, двигается она медленно. При этом, становится проблематична одновременная атака нескольких целей, ведь радар с обычной антенной держит в «поле зрения» только одну цель.

Современная электроника позволила отказаться от такого механического сканирования в БРЛС. Устроено это следующим образом: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки. В каждой такой ячейке находится специальный прибор – фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу электромагнитной волны, которая попадает в ячейку. Обработанные сигналы из ячеек поступают на приемник. Именно так можно описать работу фазированной антенной решетки (ФАР).

А если точнее, подобная антенная решетка со множеством элементов-фазовращателей, но с одним приемником и одним передатчиком называется пассивной ФАР. Кстати, первый в мире истребитель, оснащенный радиолокатором с пассивной ФАР, – наш российский МиГ-31. На нем была установлена РЛС «Заслон» разработки НИИ приборостроения им. Тихомирова.

6. Для чего нужна АФАР?

Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор – это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник.

Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.

Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.

7. Какая РЛС будет на истребителе пятого поколения ПАК ФА?

Среди перспективных разработок – конформные АФАР, которые смогут вписываться в фюзеляж летательного аппарата, а также так называемая «умная» обшивка планера. В истребителях следующего поколения она станет как бы единым приемо-передающим локатором, предоставляющим пилоту полную информацию о происходящем вокруг самолета.

Радиолокационная система ПАК ФА состоит из перспективной АФАР X-диапазона в носовом отсеке, двух радаров бокового обзора, а также АФАР L-диапазона вдоль закрылков.

Фотонные технологии позволят расширить возможности радара – снизить массу более чем вдвое, а разрешающую способность увеличить в десятки раз. Такие БРЛС с радиооптическими фазированными антенными решетками способны делать своеобразный «рентгеновский снимок» самолетов, находящихся на удалении более 500 километров, и давать их детализированное, объемное изображение. Эта технология позволяет заглянуть внутрь объекта, узнать, какую технику он несет, сколько людей в нем находится, и даже разглядеть их лица.

Материалы опубликованы порталом Новости ВПК

Как работает радар

  • Что такое радар?
  • Компоненты радара
  • Наука о радаре
  • История радара
  • Радарные изображения
  • Ошибки радара
  • Факты о радаре

Что такое радар?

RADAR расшифровывается как RAdio Detecting And Ranging и, как следует из названия, он основан на использовании радиоволн. Радары излучают электромагнитные волны, подобные беспроводным компьютерным сетям и мобильным телефонам. Сигналы посылаются в виде коротких импульсов, которые могут отражаться объектами в их путь, частично отражаясь обратно к радару. Когда эти импульсы перехватывают осадки, часть энергии рассеивается обратно на радар. Эта концепция похоже на прослушивание эха. Например, когда вы кричите в колодец, звуковые волны вашего крика отражаются от воды и возвращаются к вам. Таким же образом импульс отражается от осадков и посылает сигнал вернуться к радару. Из этой информации радар может сказать, где выпадение осадков и их количество.

Компоненты Радара

Радары в своей базовой форме состоят из четырех основных компонентов:

  • Передатчик, создающий энергетический импульс.
  • Переключатель передачи/приема, который сообщает антенне, когда следует передавать и когда получать импульсы.
  • Антенна для отправки этих импульсов в атмосферу и приема отраженный импульс обратно.
  • Приемник, который обнаруживает, усиливает и преобразует принятый сигналов в видеоформат.

Полученные сигналы отображаются на системе отображения.

Выходные данные радара обычно бывают двух видов: отражательная способность и скорость. Отражательная способность — это мера того, сколько осадков выпадает в конкретном область. Скорость — это мера скорости и направления осадков. по направлению к радару или от него. Большинство радаров могут измерять отражательную способность, но вам нужен доплеровский радар для измерения скорости.

Наука о радарах

Отражательная способность

Физика радара уходит своими корнями в теорию волн. Немецкий Генрих. Герц открыл поведение радиоволн в 1887 году. Он показал, что невидимые электромагнитные волны, излучаемые подходящими электрическими цепями путешествуют со скоростью света, и что они отражаются в подобном способ. В последующие десятилетия эти свойства использовались для определения высота отражающих слоев в верхних слоях атмосферы. Вот почему данные, полученные от радара, называются отражательная способность .

Допплер

Примерно 40 лет назад, в 1842 году, австрийский физик Кристиан Доплер открыл то, что сейчас называют эффектом Доплера. Это теория что звуковые волны будут изменять высоту тона при изменении частоты. Примером этого может быть сирена скорой помощи, которая имеет более высокий тон. когда он приближается, но более низкий тон, если он удаляется. С Теория Доплера позволяет рассчитать скорость движения машины скорой помощи. на смене частоты сирены. Эту теорию использует Допплер. метеорологический радар для определения скорости выпадения осадков в атмосфере, по направлению к радару или от него. Поскольку осадки, как правило, выпадают движется вместе с ветром, вы можете определить скорость ветра с помощью доплеровского технологии.

История радара

Несмотря на то, что он уже был изобретен, во время мировой войны радар получил дальнейшее развитие.

II, с работой над техникой, стимулированной угрозой воздушного нападения. Во время войны у радара было много применений — он использовался для обнаружения вражеских кораблей. и самолеты, чтобы направлять артиллерийский огонь и помогать в навигации кораблей и самолетов.

Хотя военные продолжают использовать радар, технология была выпущена публике после Второй мировой войны и был быстро использован во многих других отраслях. Радары теперь используются для навигации кораблей в тумане и самолетов в плохих условиях. погода. Радар может обнаружить мчащуюся машину и отследить спутник. Самое главное для метеорологов радары могут обнаруживать всевозможные атмосферные явления.

Радиолокационные изображения

Метеорадарные изображения обычно представляют собой карту отраженных частиц. для определенной области вокруг радара. В зависимости от интенсивности осадков, на карте появятся разные цвета. Каждый цвет на дисплее РЛС будет соответствовать разный уровень энергии импульса отражается от осадков.

Сила импульса, возвращаемого на радар, зависит от размера частицы, сколько частиц, в каком они состоянии (твердый град, жидкий дождь) и какой они формы. Сделав множество предположений о эти и другие факторы, приблизительная интенсивность дождя на земле может быть оценены. Фактически, самые отражающие частицы осадков в атмосферы большие и обычно имеют жидкую поверхность (покрытую водой град).

Ошибки радара

Радарные изображения не всегда точно отражают то, что происходит в атмосфере и не все, что вы видите на радаре, будет осадками. Например, радар иногда обнаруживает осадки, выпадающие выше в атмосфере но не достигает земли. Вот почему радар может показывать дождь, когда дождя нет. Это называется virga .

Если радар находится близко к берегу и луч достаточно широкий, он может отражаться от моря и возвращать сильную отражательную способность, которая на самом деле просто морской «мусор». На некоторых длинах волн луч радара не полностью отражается при прохождении очень сильного дождя или града, что уменьшает или затемняет интенсивность эха дальше от радара.

Наличие гор в радиусе действия радара может блокировать часть или весь луч радара, таким образом значительно уменьшая интенсивность эхо-сигнала от дождя на другом сторону гор. Это считается «помехами от земли» и может также производиться зданиями и деревьями. Иногда птицы, самолеты, корабли и даже достаточно плотный рой насекомых может быть обнаружен метеорологическим радаром. Это еще более характерно для доплеровских радаров из-за их более высокой чувствительности.

По мере удаления от радара отраженное эхо становится слабее. Это происходит потому, что по мере расширения луча радара доля луч, заполненный дождем, ослабевает и уменьшает интенсивность эха. луч радара также находится дальше от земли с расстоянием (частично из-за кривизна Земли, и отчасти из-за того, что луч направлен вверх на долю градуса), тем самым пропуская нижние части дождя. Например, Горизонтальный луч радара обнаруживает капли дождя на высоте 1 км над уровнем моря. Поверхность Земли от дождя в 100 километрах от радара. Еще дождь то есть в 200 километрах от РЛС будет обнаружена на высоте 3 км.

Радар Факты

Японская эскадра, бомбившая Перл-Харбор, была обнаружена прототипом Гавайский радар до авианалета, но оповещение не было отправлено, так как никто не верил неопытные радарщики!

У летучих мышей есть своего рода доплеровский радар. Их носы способны посылать короткие «крик», который отражается от объектов на расстоянии и отправляет обратно полученное эхо своими ушами. Благодаря этому летучая мышь может определить, находится ли поблизости животное. и если это животное движется к нему или от него.

Некоторые изменения ветра можно увидеть на радаре в виде очень тонких медленно движущихся линий. Этот потому что насекомые обычно собираются вокруг изменений ветра, и если есть их достаточно, луч радара будет отражаться. Точно так же, когда рой летучих мышей взлетают в сумерках их иногда можно отследить на радаре.

Как работает радар | Национальное управление океанических и атмосферных исследований

Основой работы радара является то, что луч энергии, называемый радиоволнами, излучается антенной. Когда волны сталкиваются с объектами в атмосфере, энергия рассеивается во всех направлениях, при этом часть энергии отражается прямо обратно на радар.

Чем больше объект, тем больше энергии возвращается в радар. Вот как радар может «видеть» капли дождя в атмосфере. Кроме того, время, необходимое для передачи луча энергии и возврата к радару, указывает расстояние до этого объекта.

Доплеровский радар

Благодаря своей конструкции доплеровские радарные системы могут предоставлять информацию о движении целей, а также об их местоположении. Когда WSR-88D передает импульсы радиоволн, система отслеживает фазу (форму, положение и вид) этих импульсов.

Путем измерения сдвига (или изменения) фазы между переданным импульсом и принятым эхом рассчитывается движение цели непосредственно к радару или от него. Затем это обеспечивает скорость в направлении, на которое указывает радар, называемую радиальной скоростью. Положительный фазовый сдвиг означает движение к радару, а отрицательный сдвиг указывает на движение от радара.

Доплеровский радар

посылает энергию импульсами и прослушивает любой возвращенный сигнал.

Загрузить изображение

 

Эффект фазового сдвига аналогичен «доплеровскому сдвигу», наблюдаемому в звуковых волнах. При «доплеровском смещении» высота звука объекта, движущегося к вам, выше из-за сжатия (изменения фазы) звуковых волн. Когда объект удаляется от вас, звуковые волны растягиваются, что приводит к более низкой частоте.

Вы, наверное, слышали этот эффект от машины скорой помощи или поезда. Когда автомобиль проезжает мимо вашего местоположения, тон сирены или свистка снижается.

Импульсы доплеровского радара имеют среднюю передаваемую мощность около 450 000 Вт. Для сравнения, типичная домашняя микроволновая печь будет генерировать около 1000 Вт энергии. Несмотря на мощность, каждый импульс длится всего около 0,00000157 секунд (1,57×10 -6 ) с «периодом прослушивания» 0,00099843 секунды (998,43×10 -6 ) между ними.

Таким образом, общее время, в течение которого радар фактически передает сигнал (если сложить длительность всех импульсных передач), составляет немногим более 7 секунд каждый час. Остальные 59минут и 53 секунды тратится на прослушивание любых возвращенных сигналов.

Доплеровский радар NWS использует стратегии сканирования, в которых антенна автоматически поднимается на все более и более высокие заданные углы, называемые срезами возвышения, по мере ее вращения. Эти срезы высот составляют шаблон охвата объема (VCP).

Как только радар просканирует все срезы высот, объемное сканирование будет завершено. В режиме осадков радар выполняет объемное сканирование каждые 4–6 минут, в зависимости от того, какая схема охвата объема (VCP) используется, обеспечивая трехмерное изображение атмосферы вокруг места расположения радара.

Отнеси это к MAX ! Шаблоны объемного покрытия: включите его!

Максимум! Поднимите меня!

Отнеситесь к MAX ! Получение второго мнения

Двойная поляризация

В дополнение к доплеровскому радару NWS была добавлена ​​двойная поляризация импульса радара. Обновление «двойной поляризации» включало в себя новое программное обеспечение и аппаратную приставку к антенне радара, которая обеспечивает гораздо более информативное двухмерное изображение.

Радар Dual-pol помогает синоптикам NWS четко определять дождь, град, снег, линию дождя/снега и ледяную крупу, улучшая прогнозы для всех типов погоды.

Еще одним важным преимуществом является то, что двойная полигональная система более четко обнаруживает переносимые по воздуху обломки торнадо (шар обломков), позволяя синоптикам подтверждать, когда торнадо находится на земле и причиняет ущерб, чтобы они могли более уверенно предупреждать население на своем пути. Это особенно полезно ночью, когда наземные наблюдатели не могут увидеть торнадо.

Эти два изображения показывают, как двойная поляризация помогает прогнозисту NWS обнаруживать торнадо, причиняющий ущерб. На левом изображении показано, как доплеровский радар может обнаруживать вращение. Между двумя желтыми стрелками красный цвет указывает на встречный ветер, а зеленый цвет указывает на встречный ветер относительно местоположения радара.