Файл: Основы радиотехники и радиолокации учеб. пособие.pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

КРАСНОЯРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

М.Н. Беленький, В. М. Воробьев, С. М. Дьячков,

П. М. Един, П. А. Перфилов, В. Г. Томилин

ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И РАДИОЛОКАЦИИ

(Учебное пособие)

Под общей редакцией В. Г. ТОМИЛИНА

Красноярск - 1973

Ѵ З - Ѵ О О ^ З а

АННОТАЦИЯ

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Основы радиотехники и радиолокации» и предназна­ чено для студентов высших учебных заведений нерадиотехни­ ческих специальностей. Рассмотрена главным образом сущ ­ ность физических явлений в основных радиотехнических уст­ ройствах.

Несложный математический аппарат использовался толь­ ко в целях более глубокого раскрытия принципа работы ра­

@ Красноярский политехнический институт • 1973

Г л а в а I

П Р И Н Ц И П Ы И М Е Т О Д Ы Р А Д И О Л О К А Ц И И

§1.1. Основные принципы радиолокации

А. Краткая история развития радиолокационной

техники

Радиолокация — область радиотехники, в которой исполь­ зуются явления отражения, переизлучения или .собственные излучения электромагнитных волн для обнаружения различ­ ных целей, а также для измерения их координат и параметров движения.

Радиотехнические устройства, служащие для определения местоположения объекта в пространстве с использованием электромагнитного отражения радиоволн, называются р а - д и о л о к а ц и о н н ы м и с т а н ц и я м и .

Объектами обнаружения (целями) могут быть самолеты, искусственные спутники Земли, корабли, автомобили, танки, наземные сооружения, грозовые облака и т. д.

Радиолокация основана на явлении отражения радиоволн

ность практического использования определения местонахож­ дения различных объектов.

Радиолокация в нашей стране возникла и развивалась самостоятельно.

Первые опыты по радиообнаружению самолетов проведе­ ны в 1934 г. группой инженеров Центральной радиолаборато­ рии (Ю . К. Коровин, С. Н . Савин, В. И . Тропилко). Ими впер­ вые экспериментально доказана практическая возможность ра­

3

диообнаружения самолета с помощью отраженной от него электромагнитной энергии.

Дальность обнаружения тогда составляла 600— 700 м, ис­ пользовался дециметровый диапазон волн и непрерывный ме­ тод излучения.

В истории развития отечественной радиолокации опыт

ЦРЛ является знаменательным событием.

Вэтом же году был опробован импульсный метод радиообнаружения. Созданная установка не дала положительных

результатов, и работы были прекращены практически до 1938 г. Одновременно проводили теоретические и эксперимен­ тальные исследования по магнетронным и клистронным гене­ раторам и распространению радиоволн.

В 1937— 1938 гг. инженерами Н . Ф. Алексеевым и Е. Д . Маляровым под руководством М . А. Бонч-Бруевича вы­ полнены работы по созданию многосегментных магнетронов для импульсного и непрерывного генерирования.

В 1935— 1936 гг. в Ленинградском физико-техническом ин­ ституте группой научных сотрудников под руководством про­ фессора Д . А. Рожанского проводились экспериментальные исследования по определению отражения электромагнитных волн от самолетов при непрерывном их облучении радиоволна­ ми. Тогда же в Н И И был разработан макет зенитного радио­ обнаружителя «Буря» с Д = ( 10ч-11) км. Во время испыта­ ний Б. К. Шембель впервые заметил, а затем систематически наблюдал отражение электромагнитных волн от местных гор, находившихся на расстоянии около 100 км от места испыта­ ний. Это позволило сделать вывод, что радиоволны диапазона 24—25 см можно с успехом применять для обнаружения са­ молетов на расстоянии свыше 100 км, что было очень важно для предстоящих разработок.

Все эти работы и многие другие 'явились базой для соз­ дания более совершенных радиолокационных средств. Так, в 1938 г. была построена станция РУС-1 (радиоулавливатель са­ молетов). Она состояла из передатчика и двух приемников, расположенных по обе стороны от передатчика на расстоянии 35—40 км от него.

При пролете самолетом линии «передатчик-приемник» на входе приемника действовали два сигнала: прямой и отражен­ ный от самолета, в результате чего возникали биения. Выход­ ной сигнал записывался ондулятором на бумажную ленту и

одновременно дублировался громкоговорителем.

4

Зимой 1939— 1940 гг. система РУС-1 прошла боевую про­ верку. Однако в условиях П В О Ленинграда система не смогла обеспечить заблаговременное оповещение о самолетах про­ тивника.

До начала Великой Отечественной войны наша промыш­

цели; во-вторых, йоказал неоспоримое преимущество импуль­

щая и приемная аппаратура была размещена в разных ма­ шинах и работала на разные антенны, связанные синхронной передачей.

К концу 1940 г. на базе разработанной конструкции ан­ тенного переключателя был создан одноантенный вариант РУС-2 в двух исполнениях: стационарном (Пегматит) и под­ вижном (Редут)-

Во время Великой Отечественной войны эти станции про­ шли модернизацию и их выпускали под названием «П-41», «П-42», «Р-41», «Р-43», «П-2», «П-2М».

В1943 г. на базе станции «П-2М» была разработана стан­ ция «П-3», которая, кроме дальности и азимута, позволяла оп­ ределять также высоту цели.

Всороковых годах на вооружение радиотехнических войск поступили станции П-8, снабженные индикатором кругового

обзора. Наличие И К О дало возможность оценивать воздуш­ ную обстановку непосредственно по экрану.

В настоящее время на вооружении войск находятся стан­ ции метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн с большой дальностью обнаружения и с высокой точ­ ностью определения координат-

5

Б. Основные принципы радиолокации

ное электромагнитное излучение); б) способности радиоволн фокусироваться антеннами в

направленные лучи во время излучения и приема (интерферен­ ция радиоволн);

в) постоянстве скорости и прямолинейности пути их рас­ пространения.

Первый принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны способны отражаться от объектов, находящихся на пути их распространения. Наличие отражен­ ной (вторично излученной) волны дает возможность фикси­ ровать эту волну (рис. 1.1).

Суть отражения состоит в том, что радиоволны, падающие на объект, возбуждают на его поверхности переменные э. д. с. и ток. На поверхности объекта энергия электромагнитного поля переходит в энергию переменного тока.

Часть этой энергии расходуется на тепло, другая — вновь излучается (вторичное излучение). Вторичное излучение волн объектом принято рассматривать как отражение волн от этого объекта. Отражение радиоволн происходит во все стороны. Часть энергии отраженной волны распространяется и в сторо­ ну облучающей Р Л С (рис. 1.1.).

6

Плотность потока отраженной энергии зависит от следую­ щих факторов:

—плотности потока падающей энергии;

—размеров объекта по сравнению с длиной волны;

—конфигурации объекта и его ориентации относительно фронта падающей волны;

—электрических-и магнитных свойств объекта.

В зависимости от перечисленных факторов вторичное от­ ражение может быть:

а) зеркальным; б) диффузным; в) резонансным.

З е р к а л ь н о е отражение происходит от гладких поверх­ ностей, линейные размеры шероховатостей на которых значи­ тельно меньше длины волны X. К нему применимы все законы геометрической оптики. При зеркальном отражении волн от­ раженная энергия к Р Л С не возвращается и такую цель обна­ ружить не удается (рис. 1.2). Зеркальной поверхностью для радиоволн У К В , например, является гладкая водная поверх­ ность.

Рис. 1. 2. Отражение радиоволн от зеркальной поверхности.

7

то имеет место д и ф ф у з н о е (рассеянное) отражение радио­ волн. Неровности, как правило, ориентированы по-разному к падающим лучам (рис. 1.3)- Поэтому такая поверхность дает отраженный сигнал во 'всех направлениях, в том числе и в сторону облучающей Р Л С . Большинство целей, с которыми приходится сталкиваться в военной .практике, дают диф­ фузное отражение.

Р е з о н а н с н о е вторичное излучение возникает при ус­ ловии, если геометрические размеры цели соизмеримы с дли­ ной волны и кратны половине длины волны. Цель является в данном случае как бы резонансным излучателем. Сущность резонансного вторичного излучения состоит в том, что за счет падающей радиоволны на поверхности цели возникают резо­ нансные токи. Вызванная ими отраженная волна соответствен­ но имеет большую интенсивность. Так, например, резонанс­ ное отражение наблюдается от самолетов.

ные лучи.

Характер вторичного излучения дает возможность опреде­ лять тот диапазон волн, который может быть использован в радиолокации с целью получения наибольшего вторичного из­ лучения. Длина волны должна быть выбрана такой, чтобы из­ бежать явления дифракции. В радиолокации чаще применяют волны длиной к = ( 3 СМ^г 1 м).

Известно, что при уменьшении длины волны передатчика Р Л С увеличивается поглощение энергии в. ч. колебаний в ат­ мосфере, усиливается отражение от облаков и т. д. Поэтому

8

Рис. 1. 4. Дифракция радиоволн от различных объектов.

длину волны передатчика выбирают исходя из заданных так­ тических характеристик Р Л С .

Для расчета дальности действия Р Л С важно знать эффек­ тивную отражающую поверхность возможных целей.

Э ф ф е к т и в н о й отражающей поверхностью цели S4 на­ зывается поверхность эквивалентного ей вторичного излучате­ ля, равномерно рассеивающего всю падающую на него энер­ гию и создающего в точке приема такую же напряженность поля, что и реальная цель. Например, величина Бц составляет:

—• для тяжелого бомбардировщика-— 50— 150 м2;

—истребителя — 10 м2;

—самолета-снаряда— 1— 3 м2.

Второй принцип радиолокации. При направленном излу­ чении можно определить угловые координаты цели: азимут ß и угол места е.

А з и м у т о м называется угол в горизонтальной плоскос­ ти, заключенный между направлением на север и направлени­ ем на цель. Этот угол отсчитывается по часовой стрелке.

У г л о м м е с т а называется угол в вертикальной плоскос­ ти, заключенный между линией горизонта и направлением на цель (рис. 1.5).

Третий принцип радиолокации основан на возможности из­ мерения дальности до цели за счет постоянства скорости и прямолинейности распространения радиоволн (рис. 1.5). И з­ мерение дальности сводят к измерению времени, прошедше­ го между моментами излучения электромагнитной энергии и приемом отраженного сигнала. Принято считать, что радио­ волны распространяются со скоростью света С = 300 000 км/сек. Однако в реальной атмосфере скорость рас-

9