Оригинал документа находится по адресу: http://en.wikipedia.org/wiki/Radar

Радар

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Радиолокационная станция (РЛС) или Рада́р ( radar от Radio Detection and Ranging — радиообнаружение и дальнометрия) — система для обнаружения воздушных объектов, а также для определения их дальности и геометрических параметров. Использует метод, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от объектов. Передатчик испускает радиоволны, которые отражаются целью, и обнаруживаются приемником.. Хотя отраженный радиосигнал  обычно немного слабее, радиосигналы могут быть легко усилены, так радар может обнаружить объекты на таких расстояниях, где другая аппаратура бессильна. Например звук или видимый свет, были бы слишком слабы для обнаружения цели. Радар используется во многих сферах, например метеорологии, авиации, в охранной и военной сферах.

Использование радиоволн для обнаружения "присутствие отдаленных металлических объектов " начало осуществляться с 1904 Кристианом Хёльсмейером, который продемонстрировал осуществимость идеи обнаружения присутствия судов в густом тумане и получил патент для радара № 165546. Также одна из первых рабочих моделей радара была выполнена в лаборатории венгерским учёным  Золтаном Беем в 1936г.

Термин РАДАР употреблялся до 1941, как акроним для радиолокации и ранжирования. Этот акроним Американского происхождения заменил ранее используемое Британское сокращение RDF (Радио Поиск  Направлений).  Начиная с того времени термин радар вошел в английский язык как стандартное слово.

Содержание

 

Классификация:

Радар в основном служит для обнаружения целей, освещая их электромагнитной волной и затем принимая отражение (эхо) этой волны от цели. Поскольку электромагнитные волны движутся с постоянной скоростью (света), многочисленные методы могут использоваться, чтобы таким образом определять расстояние до цели. Радар всегда имеет три основные компоненты: передатчик, антенну и приемник. Передатчик это источник электромагнитного сигнала высокой мощности, он может представлять из себя пульсирующий генератор (обычно Магнетрон) или MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), использующий чаще всего (TWT = Travelling Wave Tubes).Радары которые используют Магнетрон не когерентны или псевдо-когерентны, тогда как радары, использующие TWT когерентны. Волны, которые он производит, должны быть сфокусированы в луч и направлены в определенное направление, это - одна из функций антенны. Луч тогда распространяется через пространство, встречает цель, и часть мощности в луче отражается назад в направлении излучающей антенны радара. Поскольку волна ослабляется с покрытым расстоянием (обратный квадратный закон), и цель отражает только маленькую долю приходящей волны, отражение (эхо) будет очень слабое когда оно приходит назад в радарную антенну.

Вот, где антенна входит в игру снова, фокусируя, и концентрируя слабое отражение на входе чувствительного приемника. Полученный сигнал отражения затем манипулируется множеством хитрых способов, усиливается существенно и в самом простом случае, подается на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны.

Внимательный читатель обратит внимание на то, что такой радар передает и одновременно принимает через одну антенну, на самом деле это редко делается, поскольку мощный сигнал, просачивающийся от передающего передатчика в приемник ослепил бы приемник для слабого эха, которое он слушает.

 Мощность сигнала Pr возвращаемого к получающей антенне представлено радарным выравниванием:

P_r = {{P_t G_t A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}

где

В общем случае, где передатчик и приемник имеют одно местоположении, Rt = Rr и твеличина Rt2 Rr2 может быть заменен R4, где R - это дальность.

Мощность сигнала передатчика

Это выражение показывает, что энергетические потери сигнала соответствуют расстоянию до цели в  четвертой степени. Следовательно отраженный сигнал от сильно удалённых объектов есть очень малая величина.

Выравнивание  с F = 1 - упрощение для вакуума без помех В реальной ситуации, помехи нужно также учитывать.

В передаваемом сигнале, электрическое поле перпендикулярно по направлению распространения, и это направление электрического поля есть волны поляризации. Радары используют горизонтальную, вертикальную, и круговую поляризация, чтобы обнаружить различные виды отражённых сигналов. Например, круговая поляризация используется, чтобы минимизировать вмешательство, вызванное дождем. Линейная поляризация обычно используется для обнаружения металлических поверхностей, и помогает поисковому радару пренебрегать дождем. Случайная поляризация используется обычно при определении типа поверхности, как например скала или почва, и используется в навигационных радарах.

Реальные радары сопровождения построены как импульсные радары. Импульсный радар передает короткий импульс длительностью приблизительно микросекунда (мкс), после чего он слушает эхо, в то время как импульс отражается.

Измерение расстояния

Самый легкий путь измерить расстояние до объекта это передача короткий импульсов радиосигнала, а затем оценить время отражения (возвращения) сигнала. Расстояние пропорционально половине времени следования сигнала (поскольку сигналу придется дойти к цели а затем обратно к приемнику)  и скорость сигнала. Range = \frac{c\tau}{2}где c есть скорость света в вакууме, и τ есть полное время следования сигнала. Для радара, скорость сигнала есть скорость света. Точное измерение расстояния было весьма затруднительным до введения электроники высокой производительности,  которые обладают точностью до долей  процента.

Приемник не может обнаружить сигнал отражения  в то время как сигнал посылается. Это означает, что радар имеет четкий минимум дальности, который является длиной импульса, умноженного на скорость света, деленного на два. Для того, чтобы обнаружить более близкие цели, радар должен использовать более короткую длину импульса.

Подобный эффект налагает также определенную максимальную дальность. Если отражённый от цели сигнал приходит в то время, когда следующий импульс посылается, то приемник не может определить разницу. Для того, чтобы максимизировать дальность, необходимо использовать более длинные временные паузы между импульсами.

Эти два эффекта стремятся находиться в равенстве друг с другом, и не легко комбинировать как хорошую минимальную дальность, так и хорошую максимальную дальность в едином радаре. Это, потому что короткий импульс, нужный для передачи минимальной дальности, имеет меньший запас энергии возврата, и цель тяжелее обнаружить. Это могло бы быть устранено используя больший пульс, но это сократило бы максимальную дальность обнаружения. Таким образом, каждый радар использует специфический тип сигнала. Радары большой дальности стремятся использовать длинный импульс с длинными задержками между ними, а радары малой дальности используют более короткие импульсы с меньшими интервалами между ними.

 

 Поскольку импульс уходит далеко от радара с постоянной скоростью, время, прошедшее с момента посылали импульса до времени, когда получено эхо, является мерой расстояния до цели. Следующий импульс можно послать только через некоторое время, а именно после того как импульс придет обратно, это зависит от дальности обнаружения радара (величины мощности передатчика, усиления антенны и чувствительности приемника). Если бы импульс посылали раньше, то эхо предыдущего импульса от отдаленной цели могло бы быть перепутано с эхом второго импульса от близкой цели. Промежуток времени между импульсами называют интервалом повторения импульса (Pulse Repetition Interval PRI), его обратная величина - важный параметр, который называют частотой повторения импульса (Pulse Repetition Frequency PRF). Радары низкой частоты дальнего обзора, имеют PRF обычно в несколько сотен импульсов в секунду (или Герц [Гц]). Частота повторения импульса является отличительной деталью, которая выдает идентичность и операционный способ радара любому прослушивающему RWR приемнику.

Такой общий импульсный радар типичен для ранних систем и работает только, когда цель находится в ясном воздушном пространстве, а не на земле, например.

Если такой радар смотрит на цель (самолет), летящую, например, на фоне большого холма, отражение от холма будет намного более сильным, чем отражение от самолета, и цель будет затенена. Термин, используемый для названия этого нежелательного отражения - помехи. Само собой разумеется, помехи были причиной больших проблем для ранних радарных проектировщиков, и только за прошлые два десятилетия эту проблему удалось решить. Бортовые импульсные радары особенно уязвимы для помех, которые наиболее эффективно скрывают низко летящие цели. Эти радары применяются только против целей на той же самой или на более высокой высоте.

Методы для того, чтобы устранить помехи используют так или иначе, эффект Доплера (частота волны, отраженной от приближающегося объекта увеличивается,а от уходящего объекта уменьшается). Самый простой радар, который может обнаружить цель при наличии помех – (Moving Target Indicator MTI) импульсный радар, который сравнивает отражения более чем от двух или больше интервалов повторения импульса. Любая цель, которая, движется относительно радара, производит изменение в параметре сигнала (стадия в последовательном MTI), тогда как помехи остаются неизменными. Устранение помех происходит путем, вычитания отражений из двух последовательных интервалов. На практике устранение помех может быть осуществлено в специальных устройствах (delay line cancellers or analogue bucket brigade chips) или алгоритмами в программном обеспечении.

MTI работающие с постоянной частотой повторения импульсов имеют фундаментальную слабость, они являются «слепыми» к целям со специфическими круговыми скоростями (которые производят изменения фаз точно в 360 градусов) и такие цели не отображаются. Невидимая скорость зависит от частоты, на которой радар работает и от частоты повторения импульсов. Современные MTI передают многократный разнообразный PRF сигнал - такой, что невидимые скорости в каждой частоте повторения импульсов охвачены другим PRF.

Альтернативное семейство устройств, для того, чтобы иметь дело с помехами подпадает под обозначение Pulse Doppler Radar. PD радары используют существенно более сложную обработку, чем MTI. В PD радаре отражения, содержащие цели и помехи подаются в банк Доплер фильтров, каждый из которых настроен на определенную частоту (-Doppler-скорость). Этим способом цели с данными скоростями регистрируются как производные от данных фильтров, что может быть осуществлено в специальных устройствах или программном обеспечении. В этой общей форме, PD радар не может вычислить расстояние до цели. Дальнейшие манипуляции сводятся к определению расстояния. Это обычно делается, делением интервала повторения импульсов на отрезки, которые называют отрезками дальности. Это процесс называют определением дальности и он кончается набором производных фильтра, указывающих скорость любых целей, обнаруженных в том отрезке дальности. Поскольку типичный Pulse Doppler radar работает в средних частотах PRF(обычно тысячи Герц), вышеупомянутый метод становится неоднозначным при разных расстояниях, и многократные разнообразные PRF используются вместе с определенной сложной обработкой вычислений.

Важное качество PD радара это его когеренц. Это значит, что посланные сигналы и отражения должны иметь определенную фазовую зависимость. Только в этом случае радар может распознать, что сигнал изменил свою частоту.

PD радары обычно считаются лучше MTI для обнаружении низко летящих целей во множественных помехах земли, это - предпочтительная техника, используемая в современном истребителе, для воздушного перехвата/управления огнем, примеры тому AN/APG-63, 65, 66, 67 и 70 радары. В современом PD радаре большинство обработки выполняется отдельным цифровым компьютером, который называется Digital Signal Processor, обычно используя мощный алгоритм названый, Fast Fourier Transform, чтобы преобразовывать переведенный в цифровую форму поток образцов отражений в другую форму, более удобную для использования другими алгоритмами. Цифровые обработчики сигналов очень гибки и используемые алгоритмы могут быстро заменяться другими, заменяя только чипы память (ROM), таким образом, быстро противодействуя техники обнаружения противника если необходимо.

Частотные диапазоны

Традиционные обозначения частотных диапазонов сложились на Западе в ходе Второй мировой войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным стандартом ITU. В России используются собственные обозначения диапазонов радиоволн, не имеющие такой подробной градации, как приведенная ниже.

Частотные диапазоны РЛС

Диапазон

Частоты

Длина волны

Примечания

HF

3 — 30 МГц

10 — 100 м

Радары береговой охраны, «загоризонтные» РЛС; (англ. high frequency)

P

< 300 МГц

> 1 м

'P' от англ. previous, использовался в первых радарах

VHF

50 — 330 МГц

0,9 — 6 м

Обнаружение на больших дальностях, исследования земли; (англ. very high frequency)

UHF

300 — 1000 MHz

0.3-1 m

Обнаружение на больших дальностях (например, артиллерийского обстрела), исследования поверхности земли, лесов; (англ. ultra high frequency)

L

1 — 2 ГГц

15 — 30 см

наблюдение и контроль за воздушным движением; (англ.

 Long)

S

2 — 4 ГГц

7,5 — 15 см

управление воздушным движением, метеорология, морские радары; (англ. Short)

C

4 — 8 ГГц

3,75 — 7,5 см

метеорология, промежуточный диапазон между X и S; (англ. Compromise)

X

8 — 12 ГГц

2,5 — 3,75 см

наведение ракет, морские радары, погода, картографирование среднего разрешения; в США диапазон 10,525ГГц ± 25МГц используется в РЛС аэропортов.

Ku

12 — 18 ГГц

1,67 — 2,5 см

картографирование высокого разрешения, спутниковая альтиметрия; (англ. under K)

K

18 — 27 ГГц

1,11 — 1,67 см

нем. kurz, то есть 'короткий'; использование ограничено из-за сильного поглощения водяным паром, поэтому используются диапазоны Ku и Ka. Диапазон K используется для обнаружения облаков, в полицейских дорожных радарах (24,150 ± 0,100 ГГц).

Ka

27 — 40 ГГц

0,75 — 1,11 см

Картографирование, управление воздушным движением на коротких дистанциях, специальные радары, управляющие дорожными фотокамерами (34,300 ± 0,100 ГГц); (англ. above K)

mm

40 — 300 ГГц

1 — 7,5 мм

миллиметровые волны, делятся на два следующих диапазона

V

40 — 75 ГГц

4,0 — 7,5 мм

 

W

75 — 110 ГГц

2,7 — 4,0 мм

сенсоры в экспериментальных автоматических транспортных средствах, высокоточные исследования погодных явлений