§ 5.15. Радиолокация

Определения и обозначения

Радиолокация — метод обнаружения объектов и определения расстояния до них по отражённым радиоволнам. Волна достигает объекта, отражается и возвращается к месту излучения, где её можно зарегистрировать. Поэтому метод помогает находить цели, даже если их нельзя увидеть обычным зрением.

Радиолокатор — устройство, которое излучает радиосигналы, принимает отражённые импульсы и обрабатывает полученную информацию. В его работе участвуют передатчик, антенна, приёмник и система обработки сигнала. Такая система позволяет не просто зафиксировать эхо, но и извлечь из него сведения о цели.

Импульсная радиолокация — способ радиолокации, при котором короткие радиоволновые импульсы чередуются с паузами для приёма эха. Во время паузы передатчик не излучает, а приёмник ждёт отражённый сигнал. Так разделяются моменты посылки импульса и регистрации его возвращения.

Дальность до цели — расстояние от радиолокатора до объекта, вычисляемое по времени распространения радиосигнала туда и обратно. Обозначим дальность буквой R, скорость радиоволн — c, а задержку эха — Δt. Поскольку сигнал проходит двойное расстояние, R = cΔt/2.

Как это устроено

Радиоволны подходят для обнаружения удалённых объектов, потому что распространяются с большой скоростью и могут отражаться от предметов. Часть энергии отражённой волны возвращается к радиолокатору, где её принимает антенна. Благодаря этому можно получить сигнал от объекта, который находится далеко и не освещён видимым светом. Насколько заметным будет эхо, зависит от того, как объект отражает радиоволны и как они распространяются в данных условиях.

При импульсной работе передатчик формирует короткий радиосигнал, после чего излучение прекращается. Радиолокатор переключается на приём и регистрирует эхо, пришедшее от цели. Разделение работы передатчика и приёмника важно: собственный сигнал значительно сильнее отражённого, поэтому во время излучения он мог бы мешать обнаружению слабого эха. Короткие импульсы и паузы позволяют различать момент отправки и момент возвращения сигнала.

По задержке между посланным импульсом и его отражением находят дальность, потому что волна движется от антенны к объекту, а затем обратно. За время Δt она проходит путь 2R, поэтому 2R = cΔt и R = cΔt/2. Например, при известной скорости радиоволн измеренную задержку можно перевести в расстояние. Деление на два обязательно: без него получилось бы расстояние всего пройденного волной пути, а не удаление цели от радиолокатора.

Радиолокатор получает направление на цель благодаря узкому радиолучу антенны. Антенну поворачивают, а её положение в момент приёма эха связывают с направлением, откуда пришло отражение. Так определяют угловые координаты: азимут — направление относительно выбранного горизонтального направления, и угол места — наклон относительно горизонта. Дальность при этом по-прежнему находят не по направлению антенны, а по задержке сигнала.

Чтобы выяснить, движется ли цель, радиолокатор сравнивает результаты измерений, сделанных в разные моменты. Если расстояние до объекта меняется, по этому изменению за время можно определить его радиальную скорость — составляющую движения вдоль направления на радиолокатор. Современные приборы могут также измерять изменение частоты отражённой волны. Оно связано с эффектом Доплера и помогает определять движение цели, в том числе когда изменение дальности за короткое время мало.

На графике показаны два коротких импульса: первый излучает радиолокатор, второй соответствует принятому эху. Временной интервал между ними обозначен Δt; именно его используют для расчёта дальности по формуле R = cΔt/2. Здесь шкала времени дана в микросекундах.

Что измеряет радиолокатор и как это используется

Таблица связывает то, что непосредственно регистрирует прибор, с характеристиками цели, которые можно вычислить. Для дальности ищите задержку эха, а для направления — положение антенны при приёме. Скорость получают, сравнивая измерения во времени или анализируя частоту отражённой волны.

Разбор задач

Задача 1. Расстояние по времени возвращения эха

Отражённый радиосигнал вернулся через 20 мкс после излучения. Скорость радиоволн равна 3·10⁸ м/с. Нужно определить расстояние до цели, учитывая, что сигнал прошёл путь в обе стороны.

1. Переведём время в секунды: 20 мкс = 20·10⁻⁶ с = 2·10⁻⁵ с.
2. Запишем формулу дальности: R = cΔt/2. Деление на два нужно потому, что cΔt — весь путь туда и обратно.
3. Подставим числа: R = 3·10⁸ · 2·10⁻⁵ / 2 = 3·10³ м.

Ответ: 3000 м, или 3 км. Проверка: радиоволна проходит за 20 мкс 6000 м, то есть расстояние до объекта составляет половину этого пути.

Задача 2. Время возвращения сигнала и пауза

Радиолокатор обнаружил объект на расстоянии 45 км. Требуется найти время возвращения эха и минимальную паузу между импульсами, необходимую для его приёма. Используем скорость радиоволн 3·10⁸ м/с и считаем, что для приёма сигнала нужно дождаться его возвращения.

1. Переведём дальность в метры: R = 45 км = 45 000 м.
2. Из R = cΔt/2 выразим время: Δt = 2R/c. Множитель 2 учитывает путь до цели и обратно.
3. Подставим значения: Δt = 2 · 45 000 / (3·10⁸) = 3·10⁻⁴ с = 300 мкс.

Ответ: эхо вернётся через 300 мкс; минимальная пауза для его приёма должна быть не меньше 300 мкс. Если послать следующий импульс раньше, новый сигнал может помешать определить, к какому импульсу относится пришедшее эхо.

Задача 3. Радиальная скорость самолёта

Сначала самолёт находился на расстоянии 120 км, а через 4 с — на расстоянии 118,8 км. Определим среднюю скорость изменения дальности. По этим данным можно узнать, приближается самолёт или удаляется, но не обязательно его полную скорость.

1. Найдём изменение дальности: ΔR = 118,8 − 120 = −1,2 км = −1200 м.
2. Разделим изменение расстояния на время: v_r = ΔR/Δt = −1200/4 = −300 м/с.
3. Отрицательный знак показывает, что дальность уменьшается. Значит, радиальная скорость направлена к радиолокатору.

Ответ: самолёт приближается со средней радиальной скоростью 300 м/с. Радиолокатор определяет изменение расстояния вдоль направления на цель; если самолёт движется ещё и вбок, его полная скорость может быть больше.

Типичные ошибки

Ошибка: использовать R = cΔt вместо R = cΔt/2. Так делают, когда забывают, что волна возвращается после отражения и проходит путь туда и обратно. Проверьте себя: если умножить вычисленную дальность на два, должен получиться весь путь сигнала за измеренное время.

Ошибка: измерять не задержку между импульсами, а время до окончания приёма. При этом к времени пути сигнала могут ошибочно добавить длительность импульса или другие интервалы. Определите, какие именно моменты сравниваются: отправку сигнала и приход соответствующего эха, то есть задержку Δt.

Ошибка: считать, что радиолокатор видит цель в темноте или сквозь любые препятствия. Такое представление возникает из-за того, что радиолокатор не использует обычное зрение. На деле он регистрирует отражённые радиоволны, а их распространение и отражение зависят от объекта и условий. Проверка: спросите себя, может ли сигнал дойти до цели и вернуться с достаточной силой.

Ошибка: путать направление с расстоянием. Положение антенны задаёт угловое направление на цель, а задержка эха — дальность. Путаница возникает, если считать, что одного измерения достаточно для полного описания положения. Проверьте, какие данные использованы: угол антенны или интервал Δt.

Связь с другими темами

Для понимания радиолокации нужны знания о распространении электромагнитных волн и скорости света: радиосигнал распространяется почти с этой скоростью. Расчёт дальности связан с формулой равномерного движения s = vt, только здесь учитывают путь волны туда и обратно. Радиолокация также опирается на отражение волн и знакомую по звуку идею эха, но использует радиосигналы и измеряет их задержку.

Изучение эффекта Доплера объясняет, как по изменению частоты отражённой волны судят о движении цели. Практические применения радиолокации включают навигацию, управление воздушным движением и космические исследования. Во всех этих случаях сведения о дальности, направлении и движении помогают определять положение объектов.

Что запомнить

• Радиолокация основана на излучении и приёме отражённых радиоволн.
• Радиолокатор посылает короткий импульс и регистрирует его эхо.
• Задержка эха позволяет определить расстояние до цели.
• Дальность вычисляют по формуле R = cΔt/2.
• Множитель 2 появляется потому, что сигнал проходит путь до цели и обратно.
• Направление на объект находят по положению узконаправленной антенны.
• Повторные измерения дальности позволяют определить движение цели.