Рассматриваются физические принципы, лежащие в основе современной радиолокации. Формулируются основные проблемы и задачи, а также устанавливаются пути их решения. Даются представления о неклассических видах радиолокации и особенностях их применения.

---

Что такое элемент разрешения

Казалось бы, мы имеем даже определенное преимущество по сравнению с наблюдением в оптическом диапазоне, где объект характеризуется двумя числами: яркостью (коэффициентом отражения) и цветом (какая-либо количественная характеристика цвета). Однако дело обстоит далеко не так. Прежде всего заметим, что в подавляющем большинстве используемых на практике радиолокационных станций (РЛС) измеряемым параметром является всего лишь одно единственное число - коэффициент отражения. Однако это не самое главное при сравнении с оптическими устройствами. Главное же состоит в следующем. В любой рассматриваемый момент времени на входе приемного устройства формируются сигналы, порожденные радиоволнами, отраженными от различных целей, находящихся на одинаковом расстоянии R от точки приема. Прием отраженных радиоволн антенной в основном осуществляется в пределах некоторого телесного угла , для количественной оценки которого можно использовать два плоских угла и в двух взаимно перпендикулярных сечениях этого телесного угла. (Величина каждого из углов и определяется отношением длины волны к линейному размеру антенны d в соответствующих сечениях. Таким образом, на выходе приемной антенны возникают токи, обязанные своим происхождением электрическим и магнитным токам, возбужденным падающей волной на прямоугольной площадке с линейными размерами , находящейся от антенны на расстоянии R. Принципиальное отличие оптики от радиолокации заключается в размерах этой площадки. Для больших наземных радиолокационных станций углы и составляют десятки угловых минут, что соответствует отношению порядка (3-5)*10^-3. На расстоянии 50 км от антенны для этого случая линейный размер площадки составит величину порядка 400-600 м. В данном примере речь идет об очень больших и весьма редких антеннах. Для большинства же антенн сантиметрового диапазона отношение примерно равно 0,03-0,05, что на порядок хуже приведенного примера. Для оптики при диаметре антенны всего лишь в 1 см искомое отношение составляет величины порядка 10^-5, а поэтому размеры рассматриваемой площадки для оптики оказываются принципиально иными. Не вдаваясь в подробности, а сославшись лишь на авторитет великого Рэлея, следует отметить, что все объекты, расположенные вдоль одного направления в пределах дальности, равной , будут восприниматься наблюдателем как один объект (здесь с - скорость света, - длительность зондирующего импульса). Для ориентировки проведем оценочный расчет этой величины. Если использовать "обычный" радиолокатор, то для него длительность импульса следует принять равной на уровне 1 мкс; это для искомого размера даст величину порядка 150 м, что весьма существенно. Таким образом, все объекты, находящиеся в пределах параллелепипеда с размерами (этот параллелепипед носит название разрешаемого объема, или элемента разрешения) будут восприниматься как одна цель. Из проблемы уменьшения этого объема вытекают почти все проблемы радиолокации.

Как улучшить обнаружение радиолокационных целей

Даже в рамках неизменного элемента разрешения имеются дополнительные возможности для улучшения обнаружения находящихся там радиолокационных целей. К достаточно эффективным следует отнести поляризационные методы. Их суть сводится к следующему. При изменении вида поляризации излучаемой радиоволны происходит изменение мощности отраженной радиоволны. Ясно, что всегда найдется такой вид поляризации зондирующей радиоволны, при которой отношение мощностей радиоволн, отраженных от исследуемой цели и фоновых объектов, находящихся в элементе разрешения, будет максимально. Теоретические расчеты и экспериментальные результаты показывают, что увеличение радиолокационного контраста для многих типичных ситуаций в среднем составляет 5-8 децибел, достигая в отдельных случаях 20 децибел и более. Существенный рост контраста дает возможность соотносить измеренные элементы матрицы рассеяния с исследуемой радиолокационной целью. До сих пор речь шла о неподвижных по отношению к радиолокационной станции целях. В случае их движения отраженный сигнал (эффект Доплера) имеет другую по отношению к исходному сигналу частоту, которая отличается от основной частоты на величину, пропорциональную отношению радиальной составляющей скорости цели к длине волны. Если в элементе разрешения движущейся является только исследуемая цель, то, осуществляя прием отраженных радиоволн на частотах, не совпадающих с частотой зондирующего сигнала, можно разделить сигналы, идущие от исследуемой цели и от окружающего его фона. (Это направление получило в радиолокации название селекции движущихся целей (СДЦ). Системами СДЦ снабжены очень многие современные радиолокационные станции (РЛС).) Наконец есть еще один, хотя и достаточно экзотический, метод повышения радиолокационного контраста. Речь идет о радиолокационных целях, отраженный сигнал от которых содержит частоты, кратные по отношению к частоте зондирующего сигнала - 2f₀, 3f₀ и т.д. Таким свойством, как правило, обладают объекты, имеющие ржавчину, трущиеся элементы, контакты и т.п. Если другие объекты такими экзотическими свойствами не обладают, то соответствующий радиолокационный контраст может быть увеличен на десятки децибел. Вновь вернемся к элементу разрешения. Для уменьшения его размеров по дальности есть только один путь: уменьшить длительность зондирующего сигнала. Современные РЛС специального назначения могут формировать импульсы наносекундной длительности, что обеспечивает разрешение по дальности до десятков сантиметров. Если уменьшение длительности импульсов связано с техническими и конструктивными ограничениями, то проблема уменьшения горизонтального и вертикального размеров элементов разрешения, то есть углов и , наталкивается на физическое ограничение, связанное с тем, что углы и пропорциональны отношению . Переход от сантиметрового к миллиметровому диапазону волн дал возможность сократить линейные размеры элемента разрешения в 3-5 раз при соответствующем сравнении с сантиметровым диапазоном. Дальнейшее уменьшение длины волны наталкивается на проблему резкого увеличения энергетических потерь радиоволны на трассе распространения вследствие роста поглощения и рассеяния в атмосферных метеообразованиях. Кроме того, возникающие при этом технические и конструкторские проблемы зажигают красный свет перед волнами короче 1 мм. Второй путь, связанный с уменьшением отношения , связан с увеличением линейных размеров антенны. "Лобовая" атака на эти размеры приводит к появлению очень больших антенных систем и конструкций. Однако, поскольку вся "игра" идет на соотношениях между фазами тока в различных точках антенны, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах фазе в соответствуют расстояния, измеряемые миллиметрами и их долями, проблема юстировки таких систем, их защита от температурного расширения, ветрового и дождевого воздействия, колебаний почвы и т.п. представляет собой самостоятельную проблему исключительной сложности. Сказанного достаточно, чтобы понять уникальность таких антенн и их сверхдорогую стоимость при разработке и эксплуатации. Тем не менее такие антенны существуют, но их число в мире исчисляется единицами. Антенны более скромных размеров размещаются на земле или на передвижных средствах. Однако вполне понятно, что получить у таких антенн отношение слишком большим (свыше 150-200) не представляется реальным. Для антенн, устанавливаемых на борту летательных аппаратов, эти размеры ограничиваются линейными размерами носителей. Попытка уменьшить угол привела к созданию вдольфюзеляжных антенн. Длительное время казалось, что этим исчерпываются все возможности для бортовых радиолокационных станций. Прорыв произошел в начале шестидесятых годов, когда впервые было обращено внимание на то, что обработка сигнала в антенне по существу сводится к сложению сигналов от различных ее участков с учетом соответствующего набега фазы, вызванного особенностями геометрии антенной конструкции. Это привело к мысли, что такую обработку можно сделать искусственно. С этой целью необходимо последовательно в разных точках пространства произвести измерение амплитуды и фазы напряженности электрического поля, запомнить эти значения, а затем специальным образом их сложить. Реализация этой идеи состоит в том, что упомянутые выше измерения производятся в процессе полета. Это дает возможность искусственно создать антенну, размеры которой определяются расстоянием между первым и последним замерами, то есть в принципе такая антенна может быть практически безграничной. Здесь мы не будем говорить о тех теоретических и инженерных трудностях, с которыми сопряжена реализация этой идеи. Главное - это то, что названные трудности были успешно преодолены, что привело к созданию принципиально нового класса антенн - антенн с синтезированной апертурой. Радиолокационные станции, работающие с такими антеннами, получили название РЛС с синтезированной апертурой (РСА). В современных РСА удается получить отношение , исчисляемое несколькими сотнями, а в отдельных случаях даже тысячами. Использование РСА привело к такому сокращению элемента разрешения, что радиолокационное изображение стало приближаться к фотографическому (в фотографии "точка переводится в точку", в радиолокации "элемент разрешения переводится в точку"). Сегодняшний уровень РСА - это многочастотная РЛС с управляемой поляризацией излучаемой волны, работающая в реальном масштабе времени.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: Радиоастрономия - радиолокация Публикации со словами: Радиоастрономия - радиолокация
См. также: Краткая история быстрых радиовсплесков Странные радио-кольца Скончался СОРОЧЕНКО Роман Леонидович Скончался Александр Георгиевич Горшков Скончался Владимир Никитич Курильчик Первый год работы космического радиотелескопа РадиоАстрон Первый интерференционный лепесток РадиоАстрон на 92 см для базы 220 тысяч км! Все публикации на ту же тему >>