Радиолокация

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №51»

 

 

 

 

 

 

 

 

Проект по физике

Тема: «Радиолокация»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

учащиеся 11А класса

МБОУ «СОШ» №51 города Курска

  Алексеев Владислав 

Бирюкова Ирина

Дюба Екатерина

Лащёва Ирина

Рязанцева Лилия

Эгамбердиева Мохинур

 

 

 

2014 – 2015 учебный год

Радиолокация (от  латинских слов «radio» -излучаю и «lokatio» – расположение)  – обнаружение и  точное определение положения объектов  с помощью радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации — радиолокационная станция (РЛС, англ. radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную радиолокацию. Радиолокаторы различаются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История развития радиолокации

В 1887 году немецкий физик Генрих Герц начал эксперименты, в ходе которых он открыл существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Джеймса Максвелла. Герц научился генерировать и улавливать электромагнитные радиоволны и обнаружил, что они по-разному поглощаются и отражаются различными материалами.

Попутно с работами по радиосвязи А. С. Попов сделал еще одно важное открытие. В 1897 году во время опытов по радиосвязи между кораблями он обнаружил явление отражения радиоволн от корабля. Радиопередатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа», стоявшем на якоре, а радиоприемник — на крейсере «Африка». Во время опытов, когда между кораблями попадал крейсер «Лейтенант Ильин», взаимодействие приборов прекращалось, пока суда не сходили с одной прямой линии.

В сентябре 1922 г. два экспериментатора, служившие в ВМФ США, - Э. Хойт Тейлор и Лео К. Янг проводили опыты по радиосвязи на декаметровых волнах (3-30 МГц) через реку Потомак. В это время по реке прошел корабль, и связь прервалась - что натолкнуло их на мысль о применении радиоволн (метод интерференции незатухающих колебаний) для обнаружения движущихся объектов.

В 1930 году Янг и его коллега Хайленд обнаружили отражение радиоволн от самолета. Вскоре после этих наблюдений они разработали метод использования радиоэха для обнаружения самолета.

Шотландский физик Роберт Уотсон-Уатт (1892-1973) впервые создал систему радара (обнаружение тел с помощью радиоволн). Система посылает радиоволны, и любой встретившийся им объект отражает их. По узору, образуемому отраженными волнами на экране, определяют расстояние до объекта, скорость и направление его движения. Уотсон-Уатт первым применил радары для обнаружения вихрей, угрожающих самолетам. В 1935 г. он построил радарную установку, способную обнаружить самолет на расстоянии 64 км. Эта система сыграла огромную роль в защите Британских островов от налетов немецкой авиации во вторую мировую войну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Радиолокация основана на следующих физических явлениях:  

• Радиолокация основана на явлении отражения радиоволн от различных объектов.  Заметное отражение возможно от объектов в том случае, если их линейные размеры превышают длину электромагнитной волны. Поэтому  радары работают в диапазоне СВЧ (108-1011 Гц). А так же мощность излучаемого сигнала ~ω4.
• Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектами с другими электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отражённая волна, также, как и собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
• На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность и угловые координаты цели (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники — Распространение радиоволн. В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения).
• Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых колебаний при взаимном перемещении точек приёма и излучения (эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
• Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение, свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы радиолокатора

В основе устройства радиолокатора лежат компоненты: передатчик, антенна, генераторы азимутальных меток, приёмник, сигнальный процессор, индикатор и самолётный ответчик с антенной.

Передатчик — служит для излучения импульсов запроса в антенну на частоте 1030 МГц. Передатчик вырабатывает короткие импульсы переменного тока СВЧ (длительность импульсов 10-6 с, промежуток между ними в 1000 раз больше), которые через антенный переключатель поступают на антенну и излучаются.

Антенна — служит для излучения и приёма отражённого сигнала. По стандартам ICAO для радиолокации антенна излучает на частоте 1030 МГц и принимает на частоте 1090 МГц.

Антенна  радиолокатора

Для радиолокации используются антенны в виде параболических  металлических зеркал, в фокусе которых расположен излучающий диполь. За счет интерференции волн получается остронаправленное излучение. Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается то к передатчику, то к приёмнику.

Антенна выполняет фокусировку сигнала передатчика и формирование диаграммы направленности, а также приём отражённого от цели сигнала и передачу этого сигнала в приёмник. В зависимости от реализации приём отражённого сигнала может осуществляться либо той же самой антенной, либо другой, которая иногда может располагаться на значительном расстоянии от передающего устройства. В случае, если передача и приём совмещены в одной антенне, эти два действия выполняются поочерёдно, а чтобы мощный сигнал, просачивающийся от передающего передатчика в приёмник не ослепил приёмник слабого эха, перед приёмником размещают специальное устройство, закрывающее вход приёмника в момент излучения зондирующего сигнала.

Генераторы азимутальных меток — служат для генерации азимутальных меток (Azimuth Change Pulse или ACP) и генерации метки Севера (Azimuth Reference Pulse или ARP). За один оборот антенны РЛС генерируется 4096 малых азимутальных меток(для старых систем) или 16384 малых азимутальных меток (для новых систем, их ещё называет улучшенные малые азимутальные метки (Improved Azimuth Change pulse или IACP), а также одну метку Севера. Метка севера приходит с генератора азимутальных меток при таком положении антенны, когда она направлена на Север, а малые азимутальные метки служат для отсчёта угла разворота антенны.

Приёмник — служит для приёма импульсов на частоте 1090 МГц.

Сигнальный процессор — служит для обработки принятых сигналов.

Индикатор — служит для индикации обработанной информации.

Самолётный ответчик с антенной — служит для передачи импульсного радиосигнала, содержащего дополнительную информацию, обратно в сторону РЛС при получении радиосигнала запроса.

В промежутках между излучениями антенна принимает отраженный от объекта сигнал,  подключаясь при этом ко входу приемника. Приёмник выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны. Современный радар включает в себя компьютер, который обрабатывает принятые антенной сигналы и отображает их на экране в виде цифровой и текстовой информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение расстояния до объекта. Глубина разведки радиолокатора

Определение расстояния до объекта

Для определения расстояния от радиолокатора до объекта используют следующую формулу

             ,  где , S – расстояние до объекта, t  – время распространения

радиоимпульса к объекту и обратно.

Зная ориентацию антенны во время обнаружения цели, определяют её координаты. По изменению этих координат с течением времени  определяют  скорость цели и рассчитывают её траекторию.

Глубина разведки радиолокатора

Минимальное расстояние, на котором можно обнаружить цель (время распространения сигнала туда и обратно должно быть больше или равно длительности импульса) определяется формулой

                   , где      - длительность импульса.

Максимальное расстояние, на котором можно обнаружить цель (время распространения сигнала туда и обратно не должно быть больше периода следования импульсов) определяется формулой

                     , где T - период следования импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение радиолокации

• Авиация. По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов контролируют движение самолётов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полёта и очертания местности, могут ориентироваться  ночью и в сложных метеоусловиях. 
• Противовоздушная оборона (ПВО). Главная задача – наблюдать за воздушным пространством, обнаружить и вести цель, в случае необходимости навести на нее ПВО и авиацию.
• Крылатая ракета (беспилотный летательный аппарат однократного запуска). Управление ракетой в полете полностью автономное. Принцип работы её системы навигации основан на сопоставлении рельефа местности конкретного района нахождения ракеты с эталонными картами рельефа местности по маршруту ее полета, предварительно заложенными в память бортовой системы управления. Радиовысотомер обеспечивает полет по заранее заложенному маршруту в режиме огибания рельефа за счет точного выдерживания высоты полета: над морем - не более 20 м, над сушей - от 50 до 150 м (при подходе к цели - снижение до 20 м). Коррекция траектории полета ракеты на маршевом участке осуществляется по данным подсистемы спутниковой навигации и подсистемы коррекции по рельефу местности.
• Самолёт – невидимка.   «Стелс»-технология уменьшает вероятность того, что самолет будет запеленгован противником. Поверхность самолёта собрана из нескольких тысяч плоских треугольников, выполненных из материала, хорошо поглощающего радиоволны. Луч локатора, падающий на нее, рассеивается, т.е. отражённый сигнал не везвращается в точку, откуда он пришёл (к радиолокационной станции противника).
• Радар для измерения скорости движения транспорта. Одним из важных методов снижения аварийности является контроль скоростного режима движения автотранспорта на дорогах. Первыми гражданскими радарами для измерения скорости движения транспорта американские полицейские пользовались уже в конце Второй мировой войны. Сейчас они применяются во всех развитых станах.
• Метеорологические радиолокаторы для прогнозирования погоды. Объектами радиолокационного обнаружения могут быть облака, осадки, грозовые очаги. Можно прогнозировать град, ливни, шквал.
• Применение в космосе. В космических исследованиях радиолокаторы применяются для управления полётом  и слежения за спутниками, межпланетными станциями, при стыковке кораблей. Радиолокация планет позволила уточнить их параметры (например расстояние от Земли и скорость вращения), состояние атмосферы, осуществить картографирование поверхности.