Курсовая работа: Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике

Во второй половине 1933г. П.К. Ощепков в докладе Народному комиссару обороны К.Е. Ворошилову изложил принцип использования в системе ПВО новых средств обнаружения самолетов с применением радиоволн. Работая над этой проблемой, он пришел к выводу о целесообразности применения импульсного, а не непрерывного излучения радиоволн, что и определило его дальнейшие усилия по разработке именно импульсных радиолокаторов.

К.Е. Ворошилов и М.Н. Тухачевский одобрительно отнеслись к инициативе УПВО и рекомендовали привлечь к обсуждению этого вопроса ученых Академии Наук СССР. Ощепков как представитель УПВО встретился с Президентом АН СССР А.П. Карпинским и по его совету с академиками А.Н. Крыловым, С.И. Вавиловым и А.Ф. Иоффе. В результате в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) под председательством А.Ф. Иоффе было созвано совещание ведущих специалистов в области радиотехники, на котором с докладом выступил П.К. Ощепков. (Поразительна смелость этого молодого человека!). Единого мнения у присутствующих не было. В Постановлении было отмечено, что использование радиосредств может привести к созданию нужных приборов, но ввиду новизны проблемы необходима длительная научно-исследовательская работа, и пока следует продолжать работы по звукопеленгации и инфракрасной локации (по тепловому излучению работающих двигателей). Сомнения вызывала возможность обнаружения сигнала, отраженного от самолета, ввиду его малости. Только один человек согласился на проведение работ по радиолокации. Это был директор ЛЭФИ академик А.А. Чернышев, который за пять дней до этого совещания (!!!) заключил договор с Главным Артиллерийским управлением (ГАУ) на разработку станции радиообнаружения. Он знал об экспериментальных исследованиях по радиообнаружению самолетов, выполненных в 1933 г в Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) под руководством инженера Ю.К. Коровина.

В ЛЭФИ было выбрано непрерывное излучение для построения аппаратуры радиообнаружения, а П.К. Ощепков оставался сторонником импульсного излучения. Поэтому работа УПВО с ЛЭФИ не была продолжена, и в начале 1935 г был заключен договор УПВО с ЛФТИ. Выполнение его было возложено на лабораторию проф. Д.А. Рожанского.

Д.А. Рожанский был видным специалистом по распространению радиоволн. В 1925 г. он приехал в Харьков, чтобы создать пункт для изучения распространения коротких волн. И надо же было там произойти одной случайной встрече. Ему в качестве помощника порекомендовали студента четвертого курса Харьковского института народного образования Ю. Кобзарева. Увлеченность и самоотдача этого студента так понравились Рожанскому, что он пригласил Кобзарева к себе на работу. Кобзарев досрочно заканчивает институт и двадцати лет от роду в феврале 1926 г. начинает работу в ЛФТИ в должности научного сотрудника в лаборатории Рожанского.

В марте 1935 г. лаборатория приступила к исследованию импульсного метода радиолокации и разработке узлов будущего радиолокатора, в первую очередь, генератора высокочастотных импульсов, усилителя широкополосных сигналов и индикатора, который бы позволял измерять координаты цели. После смерти Рожанского разработкой импульсной РЛС стал руководить Кобзарев. Эта работа дала начало созданию отечественной РЛС дальнего обнаружения РУС-2. За разработку импульсной РЛС Ю.Б. Кобзарев стал лауреатом Сталинской премии.

В первых РУС-2 использовались отдельные приемная и передающая антенны. Станция располагалась на двух автомашинах – соответственно, для приемника и передатчика. Антенны жестко закреплялись на кабинах. Обзор пространства обеспечивался синхронным вращением кабин. Было произведено 12 таких станций. А далее стали выпускаться станции РУС-2с, в которых использовалась одна антенна на прием и передачу. Обзор пространства производился вращением антенны, а кабина была неподвижной.

США и Англия к началу Второй мировой войны уже обладали развитым парком радиолокационных станций: наземных, корабельных, самолетных. Наиболее удачной наземной РЛС обнаружения была станция SCR 268, разработанная в США. В этой РЛС использовались три отдельные антенны для передатчика, приемника азимутального канала и приемника угломестного канала, размещенных на одной станине.

3. Радиолокационное обнаружение

В любую радиолокационную систему входят три обязательных узла: передатчик, приемник и индикаторное устройство.

Передатчик формирует высокочастотное колебание, которое через передающую антенну излучается в пространство. Если на пути излученной электромагнитной волны окажется какой-либо объект (цель), то электромагнитная волна будет рассеиваться (отражаться) им по всем направлениям. Малая часть этой рассеянной волны попадет на приемную антенну и преобразуется приемником в электрический сигнал. В этом сигнале содержится информация об отражающем объекте. Задача индикатора – представить эту информацию в удобной форме.

Работа по радиообнаружению целей началась в начале 30-х годов практически одновременно в странах с развитой радиопромышленностью – США, СССР, Германии, Англии, Франции и Японии. Первые системы радиообнаружения использовали непрерывное излучение электромагнитного колебания. Во многом это определялось требованиями технической реализации. Все, что нужно для непрерывной системы радиообнаружения, уже было разработано для систем радиосвязи: передатчики непрерывных колебаний, высокочувствительные сверхрегенеративные приемники, стрелочные и звуковые индикаторы. А импульсные передатчики, так же как и усилители радиоимпульсов, требовалось еще разрабатывать.

Принцип построения системы напрашивался сам собой: использование интерференции прямого сигнала, излученного передатчиком, и сигнала, отраженного от цели.

			Антенна

Радиоприемник располагался на расстоянии в десятки километров от передатчика и принимал его сигнал. Если в зону излучения передатчика попадал самолет, то сигнал, отраженный от него, тоже принимался приемником. Самолет обнаруживался по интерференции прямого и отраженного сигналов. Использование в приемнике направленной антенны позволяло определять направление на цель.

На этом принципе была разработана радиолокационная система “Ревень”. Система состояла из передающей и двух приемных станций, смонтированных на автомашинах. Приемные станции располагались на расстоянии 30 – 40 км по разные стороны от передающей станции. В сентябре 1939 г. система “Ревень” под названием РУС-1 (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение войск ПВО. Планировалось создать заградительную зону из этих станций – “электромагнитную завесу”, при пересечении которой самолеты обнаруживались бы по биениям прямого и отраженного сигналов. Биения регистрировались на бумажной ленте.

До июня 1941 г. было выпущено 45 комплектов этой системы. Зимой 1939 – 1940 гг., во время войны с белофинами система РУС-1 прошла боевую проверку. Однако система не оправдала возлагавшихся на нее надежд, она не могла заблаговременно оповещать службу ПВО Ленинграда как фронтового города о самолетах противника. В апреле 1940 г. станции РУС-1 с постов наблюдения на Карельском перешейке были переброшены для дальнейшего использования в Закавказье. Производство РУС-1 было прекращено, когда на вооружение была принята импульсная РЛС РУС-2.

В импульсных РЛС излучаются короткие импульсы. Излученные и отраженные от цели импульсы разнесены по времени и интерференция между ними невозможна. Обнаружение сигнала в импульсных РЛС производится по величине напряжения на выходе приемника. Если напряжение превышает уровень шумов приемника, то выносится решение об обнаружении сигнала.

4. Импульсная радиолокация

Почему же отказались от непрерывной радиолокации и отдали предпочтение импульсной? Главной проблемой непрерывной радиолокации оказалось измерение дальности. Непрерывное излучение позволяет установить наличие отражающего объекта в облучаемой зоне, определить направление на объект, но измерить дальность до объекта было трудно.

Казалось бы, можно определить расстояние по интенсивности принятого сигнала – чем дальше объект, тем слабее сигнал, но на самом деле интенсивность сигнала зависит не только от дальности, но и от величины и формы отражающего объекта, его ориентации, и на практике подобный метод измерения дальности не применяется. Можно использовать триангуляционные методы, применяющиеся в геодезии, когда расстояние определяется расчетом по известному расположению двух точек и по направлениям из каждой точки на объект (сравните: пеленгационный метод определения местоположения в радионавигации). Но для реализации такого измерения потребуется два приемника и точное измерение угловых координат, а также время для проведения расчетов.

Правда, уже был запатентован метод измерения дальности при непрерывном излучении есть, предполагающий излучение радиоволн с изменяющейся частотой, то есть частотно модулированных радиоволн. Об этом подробнее мы поговорим далее, а сейчас только отметим, что этот метод легко реализуется, если отражающий объект только один. А для радиолокации типовой является ситуация, когда отражающих объектов много, и для каждого нужно определить его координаты. В этой ситуации вне конкуренции оказался импульсный метод радиолокации, когда импульсы, отраженные от многих целей, разнесены по задержке и легко разделяются.

Еще один недостаток непрерывной радиолокации – необходимость разнесения на большое расстояние передатчика и приемника. Энергия излучаемой передатчиком электромагнитной волны должна быть очень большой, так как только незначительная часть ее возвращается от обнаруживаемого объекта к приемнику. Если мощный передатчик работает по соседству с высокочувствительным приемником, который должен реагировать на ничтожное количество отраженной энергии, то нужно принимать специальные меры защиты приемника от прямого попадания энергии, излучаемой передатчиком. В непрерывной радиолокации защита приемника обеспечивалась разнесением передатчика и приемника на большое расстояние.

В импульсной радиолокации работа передатчика и приемника разнесена по времени: когда излучается радиоимпульс, приемник закрыт; а когда принимается импульс, отраженный от цели, передатчик не работает. Поэтому приемник и передатчик могут находиться в одном месте. И кроме того, можно использовать одну антенну, работающую и на прием, и на передачу. Это значительно упрощает конструкцию РЛС. Для защиты приемника на время работы передатчика были разработаны специальные разрядники-переключатели “прием-передача”, закорачивающие вход приемника на время излучения радиоимпульса.

Но непрерывное излучение имеет и несомненное достоинство – оно позволяет измерять скорость объекта. Как известно, частота отраженного от движущегося объекта колебания f_отр будет отличаться от частоты облучающего колебания f_o на величину частоты Доплера F_д : f_отр =f_o + F_д , где F_д = 2Vf_o /c. Конечно, доплеровский сдвиг частоты небольшой (например, при длине волны 3м и скорости объекта 360 км/ч доплеровский сдвиг составит всего 33 Гц), но его можно выделить узкополосным фильтром и измерить. Однако на заре радиолокации об измерении скорости еще не думали. В настоящее время разработаны импульсные РЛС малой скважности, которые позволяют измерять дальность до цели по задержке импульсного сигнала и скорость по доплеровскому сдвигу частоты.

5. Измерение угловых координат цели

Итак, перед первыми разработчиками систем радиообнаружения самолетов стояли, главным образом две задачи: обнаружить цель и запеленговать ее, то есть определить направление на цель.

Мы уже познакомились с методами определения направления при изучении истории радионавигации. Таких методов три: по минимуму принимаемого сигнала, по максимуму принимаемого сигнала и по равносигнальной зоне. В радионавигации используются первый и последний методы, как наиболее точные. В радиолокации – второй и третий, так как отраженный от цели сигнал очень слабый, и прием сигнала возможен только, когда антенна направлена на цель. Кроме того, в радиолокации используются антенны с узкими диаграммами направленности, а для таких антенн определение направления по максимуму сигнала становится уже достаточно точным.

Для пеленгации в принципе не важно, каким будет излучение – непрерывным или импульсным – все определяется формой диаграммы направленности антенны. В первых радиолокационных станциях, таких как РУС-2 (СССР) и SCR-268 (США) поиск цели осуществлялся вручную. Оператор РЛС поворачивал антенную систему (естественно, с помощью двигателей), добивался максимума отраженного от цели сигнала и считывал угол с лимба, связанного электромеханической системой с осью антенны.

В последующих разработках радиолокационных станций обнаружения использовалось вращение диаграммы направленности с постоянной угловой скоростью в пределах зоны обзора (360^о в РЛС кругового обзора, или в меньших пределах при секторном обзоре).

При этом от каждой цели, находящейся в зоне обзора, формируется сигнал примерно колокольной формы, по максимуму которого измеряется направление на цель. Для импульсного излучения форма сигнала на выходе приемника (последовательность импульсов) показана на рисунке выше справа. Такой сигнал называют пачкой импульсов.