Как найти скорость радиосигнала

Нет, друзья, не 300 тысяч километров в секунду, как то вам обещают учебники физики. Вы против, вы сильно возмущены? Хорошо, а кто именно и где измерял скорость радиоволн на всех частотах? Ну или хотя бы, на наиболее характерных их длинах – длинные, средние, короткие… Затруднение с ответом, не правда ли? Листайте сколько хотите хоть учебники, хоть методички университетов – не найдете: кто, где, когда. Нет такого. Я проверял. Просто, в один прекрасный момент некие солидные ученые, не вдаваясь в подробности, не унижаясь до натурного эксперимента решили, что раз уж радиоволна и свет суть явления одной природы, то и скорость у них строго одинаковая. Джеймс Максвелл, знаменитый ученый-теоретик конца 19 века так нам указал, зачем же с ним спорить?

Что же, раз нет ничего такого в проверенных Академиями наук современных учебниках, раскрываем журнал “Радио всем” (СССР), за далекий 1929 год. Конец НЭПа… Вот здесь все более или менее подробно расписано. Мы идем к самым корням…

“Вряд ли кто-либо из радиолюбителей, сидя с телефоном на ушах где-нибудь на окраине СССР и проверяя свои часы по бою Кремлевской башни, задумывается над тем, действительно ли он слышит первый удар башенных часов точно в тот самый момент, когда этот удар слышат московские радиолюбители. И он, конечно, вправе (если над этим вопросом все же задумываться) считать, что слышит удары башенных часов одновременно с москвичом. Того же любителя, который в этом сомневается, окончательно должен убедить следующий простой расчет. Радиоволны, как и всякие электромагнитные волны, как известно, распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду. И если вы находитесь даже на расстоянии 3 000 километров от Москвы, то сигнал затратит только одну сотую секунды, чтобы достичь вашего приемника. Ясно, что сотая секунды — это такой малый промежуток времени, которым можно пренебречь не только при проверке карманных часов, но даже и в случаях, требующих гораздо большей точности — например при обычных астрономических наблюдениях.

При этих расчетах мы приняли, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, но верно ли это? Проверено ли на опыте, что радиоволны всегда распространяются с такой скоростью? Эти вопросы совершенно естественно могут возникнуть у всякого. И теоретическими рассуждениями этих сомнений рассеять нельзя. Даже наоборот, теория показывает, что скорость распространения радиосигналов может очень сильно отличаться от скорости света в пустоте (т. е. от скорости в 300 000 километров в секунду)…

Помимо этого сомнительного пункта может возникнуть также и другое сомнение. Верно ли, что радиоволны, особенно короткие, распространяются по кратчайшему пути? Не выбирают ли они иногда более длинных, но почему-либо более удобных для себя, путей?”.

...Мы с вами, друзья, сокращаем пункт о коротких радиоволнах (10-100 метров), банально путешествующих между поверхностью Земли и ионосферой

«Сигналы – эхо».

Но переполох все же вскоре разразился. И вызвали его недавно опубликованные результаты новых наблюдений норвежцев — проф. Штормера и инженера Гальса. Эти два наблюдателя (с той же целью, так Тэйлор и Юнг в Америке) вели в Осло прием мощной радиотелефонной станции PCII фирмы «Филиппс» в Эйдховене (в Голландии). Станция эта работает на коротких волнах и хорошо известна коротковолновикам-любителям всего мира, так как работу ее можно слышать почти во всех точках земного шара. В определенные моменты, заранее точно установленные, станция PCII передавала подряд один или несколько очень коротких отрывистых сигналов.

Наблюдатели в Осло отмечали момент, когда тот или другой из сигналов был принят. Оказалось, что сигналы прибывают с некоторым опозданием против «расписания». Но кроме того, после некоторых сигналов можно было различить своеобразное «эхо» — повторение сигнала через некоторый промежуток времени после основного сигнала. Этот промежуток времени менялся от одного наблюдения к другому и довольно часто достигал целых 15 секунд. Легко сообразить, что это значит, если считать, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду. За пятнадцать секунд радиосигнал успел бы пройти четыре с половиной миллиона километров и, следовательно, он совершил такую «прогулочку» и только после этого попал в приемник.

Эти первые наблюдения (они были сделаны в марте 1928 года) показались настолько невероятными, что им сначала просто не хотели верить. Однако, по настоянию проф. Штормера в октябре истекшего года опыты были повторены, причем наблюдения велись уже сразу в трех пунктах — в Осло и в других местах вблизи Эйдховена, т. е. недалеко от передающей станции. Наблюдения проф. Штормера и на этот раз целиком подтвердились. «Сигналы-эхо» были слышны как в Осло, так и в Эйдховене, причем удавалось одно и то же «эхо» отметить не только в двух, но даже во всех трех приемниках одновременно”.

Пропустим пространные рассуждения о том, в каких космических далях могли бы путешествовать радиоволны со стандартной скоростью С, и что такое именно отразило их обратно на Землю. В современной научной литературе феномен “мирового эха” точно признан, хотя упомянутого автором статьи С. Кином профессора Штормера в ней нет. Согласно Википедии: “Мировое эхо (LDE, англ. Long delayed echo) — особый вид эха в диапазоне радиоволн, которое возвращается через время от 1 до 40 и более секунд после радиопередачи и которое иногда наблюдается в диапазоне коротких волн. Это явление было впервые зарегистрировано в 1927 г. скандинавским радиоинженером Jorgen Hals (Гальс), который около года скрывал наличие такого труднообъяснимого эффекта”.

Хорошо, пусть, но а если бы, вопреки Специальной теории Относительности А. Эйнштейна представить, что скорость радиоволны вполне может быть меньше С? И даже во много раз меньше этой самой “постоянной” С? Нет, без всяких чудес, вроде перехвата сигнала межзвездными пришельцами, просто меньше, вот и все. Есть радиоволны, точней их составляющие, путешествующие в пространстве со стандартной скоростью С, а есть и составляющая, летящая со скоростью несколько меньшей… И вообще, речь идет не всегда об эхе. Как правило это линейное распространение радиоволны в одну сторону. Кто помимо нашего, столь осторожного инженера Гальса проводил такие опыты в лабораторных условиях?

Мы уже указали, что никто за это не взялся. Хотя это вещь вполне себе не сложная. Видимо есть что то более важное, чем фундаментальные научные исследования. Итак, иногда (или же часто) радиосигнал преодолевает расстояние 1000 километров (Осло – Эйндховен) за время от 1 до 40 секунд. И это совершенно, абсолютно не согласуется со Специальной Теорией Относительности.

Мы переходим к собственным экспериментам. Наше оборудование – двухканальный цифровой осциллограф. Время – одна микросекунда. Стоимость квадратика на экране по вертикали – 100 милливольт. Источник радиосигнала – устройство электронного поджига лампы белого света 18 Вт, частота 25 килогерц. Антенны – куски алюминиевого провода длиной 1 метр, сечение 10 мм.

Антенны связаны с осциллографом посредством коаксиального кабеля с заземленным экраном. Включаем, смотрим. Вверху – антенны практически вместе (расстояние между ними 5 см.). Внизу – здесь антенну, дающую сигнал, выделенный желтым цветом мы смещаем на 0,5 метра в сторону. При этом разность фаз составляет, грубо говоря, 0,8 микросекунды ( с запаздыванием). Позвольте мне округлить данные значения еще раз. Тогда скорость распространения электромагнитной волны составляет около 1000 км. в секунду.

Результаты эти проверялись много раз.

Радиоволной электромагнитный сигнал с частотой 25000 Герц можно назвать с некоторой натяжкой. Длина волны, согласно стандартной формуле составляет немалые 12000метров. Однако, это именно электромагнитное колебание. Ему следует распространяться со скоростью 300 тысяч километров в секунду и никакой иной другой. В целом мои результаты вполне согласуются с данными исследований радиоинженера Д. Гальса и проф. Штормера.

Позвольте представить еще один свой эксперимент. Мы раскручиваем текстолитовый диск с укрепленной на нем меткой – полоской или положим, крестиком. Движение происходит по часовой стрелке. Теперь фотографируем этот диск на цифровую фотокамеру. Как правило, на снимке проявляется слабый, но отчетливо различимый двойник основного изображения. Изображение проявляется впереди или сзади, опыт качественный, а не количественный. Я полагаю, так проявляется световой сигнал, имеющий скорость много меньшую стандартной скорости света С.

Читайте также. Тайны света. Почему фотоны складываются?

Новая публикация. В поисках эфира. Неожиданный результат

Новейшая публикация Новые исследования особых свойств света. Доклад Белого Кролика

Смотрите книгу автора “Живая Наука. Комиксы естествоиспытателя“. В начале сентября анонсируется выпуск издания “Живая Наука. Решающий эксперимент”

Для
передачи по каналу связи единичных
элементов дли­тельностью т_о,
спектр которых занимает бесконечно
большую полосу частот, амплитудно-частотная
характеристика (АЧХ) и характеристика
группового времени прохождения (ГВП)
канала должны быть постоянными в
бесконечной полосе частот. Реаль­ные
каналы для передачи видеоимпульсов
имеют частотные ха­рактеристики,
близкие к характеристикам фильтра
нижних час­тот, а для передачи
радиоимпульсов — полосового фильтра.

Для
повышения эффективности использования
полосы частот занимаемого канала связи
спектр частот сигнала ограничивают, т.
е. передают лишь ту часть спектра, в
которой сосредоточена основная энергия
сигнала (90%).
Ограничение спектров сиг­налов при
передаче по реальным каналам вызывает
искажения формы сигналов и появление
переходных процессов, которые приводят
к взаимному перекрытию соседних посылок,
так назы­ваемым межсимвольным
помехам, затрудняющим
прием единич­ных элементов.

Основная
часть энергии при передаче импульсов
постоянного тока сосредоточена в полосе
частот от 0 до 1/(2₀)
Гц. Если в канал связи передавать лишь
частотные составляющие этого диапазона,
минимально необходимая полоса частот
определяется по формуле

, (1.13)

где В
— скорость модуляции,
определяемая по (1.3).

Предельная
скорость модуляции при передаче
двухпозиционных видеосигналов и сигналов
AM
с одной боковой полосой (AM
ОБП) будет равна

B
= B_max
= 2F.
(1.14)

При
передаче модулированных сигналов (AM,
ФМ, ЧМ) ми­нимально необходимая полоса
частот увеличивается вдвое в ви­ду
необходимости передавать верхнюю и
нижнюю полосы частот
.
Предельная скорость
модуляции в этом случае

B_max
=F. (1.15)

Соотношения
(1.14) и (1.15) носят название пределов
Найквиста. Следует
заметить, что при ЧМ формула справедлива
лишь при индексах частотной модуляции
m_чм1
а для m_чм>1
для определения
необходимо рассчитать
спектр ЧМ сиг­нала и определить полосу,
в которой сосредоточено не менее 90%
энергии сигнала.

Для
сохранения удовлетворительной формы
посылок на вы­ходе канала на практике
скорость модуляции B_пр
выбирают не­сколько меньше, чем
предельно допустимые B_mах,
а именно

B_пр
= 0,7B_max
= 1,4F_min
.
(1.16)

При
использовании сигналов AM,
ЧМ и ФМ с двумя боковы­ми полосами она
уменьшается вдвое:

B_пр
= 0,35B_max
= 0,7F_min
.
(1.17)

Передача сигналов
с одной боковой полосой позволяет почти
удвоить скорость передачи. В реальных
условиях при методах передачи с ОБП
практическая скорость определяется
выраже­нием

B_пр
= (1,1 – 1,25)F_min
.
(1.18)

Если же при
проектировании АПД заданной является
ско­рость передачи, то на основании
(1.16)—(1.18) определяется необходимая
полоса частот канала. Для видеосигналов

F_к
= 0,71В.

(1.19)

Для радиосигналов
с двумя боковыми полосами

F_к
= 1,42В.

(1.20)

Для радиосигналов
с ОБП

F_к
= (0,8 – 0,91)В.
(1.21)

В ряде
случаев, при разработке автоматизированных
инфор­мационных систем, задается
(либо необходимо выбрать) не толь­ко
тип канала, но и накладываются ограничения
на время исполь­зования этого канала,
так называемое время
сеанса связи. Рас­чет
при таких условиях начинают с определения
количества ин­формации I,
которую необходимо передать в течение
сеанса свя­зи T_сс.
В состав передаваемого массива входит
не только инфор­мация, подлежащая
передаче потребителю I_п,
но и служебные символы (символы начала
и конца передачи, синхронизирующие
символы, избыточная информация, вводимая
для повышения помехоустойчивости, и т.
д.). Если на начальном этапе проекти­рования
количество служебных символов точно
определить не удается, то ориентировочно
количество служебных символов I_сл
определяется в пределах
5—10% от объема полезной информа­ции,
т. е. I_сл
= (0,050,1)
I_п.
Тогда необходимая скорость

V=(I_П+I_сл)/Т_сс=(1,05-1,1)I_п/Т_сс

(1.22)

Таким
образом, рассчитав необходимую скорость
передачи, по (1.22) на основе соотношений
(1.16) — (1.18) выбираем ориен­тировочную
величину полосы пропускания канала
связи ΔF_k.Следует
заметить, что при использовании
стандартных каналов связи расчетное
значение скорости модуляции должно
быть округлено до ближайшего большего
значения, выбранного из стандартного
ряда скоростей.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Радиальная скорость

Рисунок 1. Вектор скорости цели и его составляющие

Рисунок 1. Вектор скорости цели и его составляющие

Радиальная скорость

Движение объекта с заданной скоростью характеризуется направлением, следовательно, его (движение) можно описать вектором скорости. По отношению к направлению наблюдения цели вектор скорости цели может быть разложен на две составляющие:

Все, что «видит» радиолокатор в конкретный момент времени, — это часть вектора скорости цели, направленная вдоль радиуса, проведенного от антенны к цели (на Рисунке 1 эта составляющая изображена в виде красной стрелки). В общем случае данная составляющая не соответствует реальному курсу движения цели, а описывает только ту его (движения) часть, которая направлена в сторону радиолокатора или от него (в зависимости от того, приближается или удаляется цель).

Радиальная скорость цели — это составляющая полного вектора скорости цели, которая направлена к радиолокатору или от него.

Перпендикулярно вектору радиальной скорости направлен вектор такнгенциальной скорости (синяя стрелка на Рисунке 1). Величина этого вектора влияет на функционирование системы управления антенной в радиолокаторах сопровождения цели.

Когда летательный аппарат пролетает мимо радиолокатора по прямой линии, то есть с постоянным курсом (например, как на Рисунке 1), то на траектории его движения есть точка, при нахождении его в которой радиальная скорость будет равна нулю. При этом тангенциальная составляющая будет совпадать с полным вектором скорости цели. Как известно, эффект Допплера возникает только тогда, когда радиальная скорость цели не равна нулю. Поэтому в момент нахождения летательного аппарата в этой точке, его скорость не может быть измерена радиолокатором и, следовательно, он не может быть отличен от пассивной помехи, порожденной неподвижным объектом.

При дальнейшем движении самолета по прямой после прохождения указанной точки радиальная скорость меняет свое направление на противоположное и будет направлена в сторону от радиолокатора. При этом также возникает эффект Допплера и частота отраженного сигнала будет отличаться от несущей частоты зондирующего сигнала на величину, пропорциональную величине радиальной скорости. Разница будет только в том, что когда радиальная скорость направлена к радиолокатору (цель приближается), то частота эхо-сигнала увеличивается на величину допплеровской составляющей, а когда радиальная скорость направлена от радиолокатора (цель удаляется), то частота эхо-сигнала уменьшается на эту же величину.

Если же цель движется вокруг позиции радиолокатора по кругу с постоянным радиусом, то ее радиальная скорость во всех точках траектории будет равна нулю. В таком случае эффект Допплера не возникает и допплеровская частота будет равна нулю. Эхо-сигнал такой цели будет подавлен в фильтре системы селекции движущихся целей как пассивная помеха и на индикаторе радиолокатора такая цель отображаться не будет.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник

Определение скорости.

Физической основой определения скорости цели в радиолокации является эффект Доплера.

Эффект Доплера заключается в том, что при перемещении цели относительно РЛС с радиальной скоростью V_r (скоростью изменения дальности до цели) частота отраженного от цели сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на частоту Доплера F_V. Поэтому по изменению частоты принимаемого сигнала можно судить о радиальной скорости цели.

Действительно, пусть передатчик РЛС облучает цель, излучая зондирующий сигнал на частоте f₀ (рис.2.2).

Рис.2.2. Эффект Доплера.

Т.к. расстояние ∆D, пройденное целью за 1с. равно радиальной скорости цели V_r относительно РЛС, то

Частота колебаний f₁, попадающих на объект, возрастает на ∆f, т.е.:

Частота колебаний f₂, отраженных от движущейся цели, также повышается на величину ∆f, т.е.:

Следовательно, частота сигнала отраженного от движущейся цели f₂отличается от частоты зондирующего сигнала f₁ на частоту Доплера F_V, т.е.: F_v = f₂ – f₁ = 2Δf = 2V_r/λ

Таким образом, определение радиальной скорости цели в радиолокации сводится к измерению доплеровского приращения частоты отраженного от цели сигнала.

Определение дальности, угловых координат и скорости целей производится в радиолокации различными методами.

Выбор метода измерений зависит, прежде всего, от типа зондирующего радиолокационного сигнала, который используется в РЛС.

Зондирующий радиолокационный сигнал может быть

— непрерывным,типа U = U₀sin(ω₀t + φ₀) (рис.2.3,б) или

— импульсным,типа U = U₀sin(ω₀t + φ₀), при 0 ≤ t ≤ τ_I

U = 0, при 0 > t > τ_I (рис.2.3,а),

где: U₀ – амплитуда колебаний;

ω₀– несущая частота колебаний;

φ₀ – начальная фаза колебаний.

τ_I –длительность зондирующего импульса.

Рис.2.3. Зондирующие радиолокационные сигналы:

а – импульсный; б – непрерывный.

Достоинство импульсного зондирующего сигнала – простота разделения прямого и отраженного сигнала по времени.

Возможность такого разделения обеспечивает работу приемника и передатчика РЛС на одну общую приемопередающую остронаправленную антенну, которая обычно представляет собой весьма сложное, громоздкое и дорогостоящее сооружение.

Недостаток импульсного сигнала – для получения больших дальностей действия РЛС требуются высокие импульсные мощности излучения. Поэтому предъявляются повышенные требования к электрической прочности антенно-волноводного тракта РЛС, что не всегда технически достижимо.

Этот недостаток импульсного сигнала преодолевается с помощью внутриимпульсной частотной (фазовой) модуляции или фазокодовой манипуляции зондирующего сигнала и использованием специальных методов обработки отраженного от цели сигнала. В соответствии с этим различаются и методы радиолокационных измерений, которые применяются в РЛС с импульсным излучением.

Наоборот, главным достоинством непрерывного зондирующего сигнала является достижение большой дальности действия РЛС при незначительных мощностях излучения.

Однако существенным недостатком непрерывного зондирующего сигнала, ограничивающим его применение в радиолокации, являются значительные трудности, возникающие при разделении прямого и отраженного сигнала, которые присутствуют на входе приемника одновременно.

Разделение прямого и отраженного сигнала в РЛС с непрерывным излучением достигается путем модуляции непрерывного зондирующего сигнала по какому-либо периодическому закону.

Принципиально для этого может быть использован любой вид модуляции: амплитудная, частотная или фазовая, а также их комбинации. В общем случае напряжение модулированного сигнала можно записать следующим образом:

где: U_a(t) – закон амплитудной модуляции;

φ(t) – закон фазовой модуляции;

dφ(t)/dt – закон частотной модуляции;

ω₀– несущая частота колебаний;

φ₀ – начальная фаза колебаний.

Таким образом, методы радиолокационных измерений, которые применяются в РЛС с непрерывным излучением так же, как и для импульсных РЛС, различаются в зависимости от способа модуляции непрерывного зондирующего сигнала.

Контрольные вопросы.

Вопрос 1.Максимальная дальность импульсной РЛС D_max равна:

Максимальное время запаздывания отраженного от цели сигнала t_{D max} и рекомендуемую длительность зондирующего импульса τ_I РЛС.

В радиолокации, как правило, применяют кратковременные сигналы, для которых длительность импульса τ_I « t_{D max}. Обычно τ_I = 0,05 – 5 мкс.

Вопрос 2. Максимальная скорость воздушных целей равна:

а). Самолета МИГ – 29: V = 2450 км/ч;

б). Самолета МИГ – 19: V = 1370 км/ч;

в). Вертолета Ка – 27: V = 290 км/ч.

Доплеровский сдвиг частоты F_V отраженного от этих целей сигнала для РЛС с рабочей длиной волны: λ₁ = 10 см;

а). F_V1 = 13611 Гц = 13,6 кГц; F_V2 = 45370 Гц = 45,4 кГц.

Источник

Радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией

Рисунок 1. Принцип измерения расстояния в FMCW-радиолокаторе

Рисунок 1. Принцип измерения расстояния в FMCW-радиолокаторе

Рисунок 1. Принцип измерения расстояния в FMCW-радиолокаторе

Радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией

Недостатком радиолокаторов непрерывного излучения без частотной модуляции является невозможность измерения дальности цели, обусловленная отсутствием опорных точек в структуре сигнала, обеспечивающих оценку задержки принятого сигнала относительно излученного. Этот недостаток устраняется частотной модуляцией излучаемого сигнала. При этом частота излучаемого сигнала периодически увеличивается или уменьшается. В принимаемом эхо-сигнале изменение частоты получает задержку Δt (за счет распространения в пространстве до цели и обратно) как и при использовании метода импульсной радиолокации. Однако если в импульсном радиолокаторе время задержки измеряется непосредственно, то в FMCW-Radar для этого оцениваются различия в фазе и частоте между излученным и принятым сигналами.

Принципы измерения

Дальность R до отражающего объекта может быть определена при помощи следующего выражения:

Максимальная дальность и разрешение по дальности

Подходящим выбором величины изменения частоты сигнала в единицу времени может быть установлено разрешение радиолокатора по дальности, а выбором длительности участка нарастания частоты (утолщенная красная линия на Рисунке 1) может быть установлена максимальная однозначно измеряемая дальность. Максимальный сдвиг частоты и крутизна фронта пилы могут меняться в зависимости от возможностей технологии, реализованной схемой.

Максимальная однозначно измеряемая дальность определяется требуемым временным перекрытием (запаздыванием) принятого и излученного сигналов. Она обычно намного больше значения дальности, определяемого энергетическим потенциалом радиолокатора, то есть ограничениями из-за потерь в свободном пространстве.

Например, конкретный радиолокатор с линейным изменением частоты длительностью 1 миллисекунда теоретически может обеспечить однозначное измерение дальности в диапазоне до 150 километров. Это значение определяется остающимся перекрытием излучаемого сигнала и эхо-сигнала (смотри Рисунок 1 ), требуемым для получения достаточного времени для измерения разности частот. Значительная часть этого диапазона дальности не достигается никогда из-за невысокой мощности передатчика. Поэтому всегда остается достаточный интервал времени для измерения разности частот.

Если максимальное изменение частоты для модуляции передатчика составляет 250 МГц, то при такой крутизне частотного спектра сигнала разница частот в 1 кГц соответствует запаздыванию в 4 наносекунды, что, в свою очередь, соответствует разрешению по дальности 0,6 метра.

Этот пример показывает впечатляющее преимущество радиолокатора такого типа (FMCW) : необходимость измерения разницы во времени в 4 наносекунды в импульсном радиолокаторе приведет к значительным техническим усложнениям. В то время как измерить разницу частот в 1 кГц значительно проще, поскольку она находится в диапазоне низких частот.

Закон модуляции

Рисунок 2. Основные виды закона модуляции частоты для FMCW-радиолокатора

Рисунок 2. Основные виды закона модуляции частоты для FMCW-радиолокатора

Для различных целей измерения используются несколько возможных законов модуляции частоты сигнала:

Пилообразное линейное изменение частоты

График линейного пилообразного изменения частоты показан на Рисунке 1. Эхо-сигнал имеет такой же закон изменения частоты, что и излученный сигнал, и запаздывание во времени относительно него (на Рисунке 1 — сдвинут вправо). Вследствие этого возникает разница между фактической частотой излучаемого сигнала и частотой эхо-сигнала, определяющая расстояние до отражающего объекта. Эту разность частот называют «частой биений». Допплеровская добавка частоты будет сдвигать частоту всего эхо-сигнала либо в сторону увеличения (при приближении цели к радиолокатору) либо в сторону уменьшения (при удалении от радиолокатора).

При такой форме модуляции невозможно разделить две частоты в приемнике. Таким образом, допплеровская добавка частоты будет проявляться только в виде ошибки измерения расстояния. При выборе оптимального размаха частоты можно априори рассматривать допплеровские частоты соизмеримыми с разрешением или, по меньшей мере, что погрешность измерения мала, насколько это возможно.

Рисунок 3. К пояснению использования треугольного закона модуляции частоты

Рисунок 3. К пояснению использования треугольного закона модуляции частоты

Это имеет место, например, в морских навигационных радиолокаторах: суда в прибрежной зоне движутся с ограниченными скоростями друг относительно друга. Как правило, максимальное значение этой скорости не превышает 10 м/с. В полосе частот таких радиолокаторов (в основном, Х-диапазон) ожидаемая максимальная допплеровская частота составляет 666 Гц. Если при обработке радиолокационного сигнала достигается разрешение по дальности килогерц на метр, то такое значение допплеровской частоты будет пренебрежимо малым. Поскольку посадка и взлет самолета на аэродроме характеризуется скоростью порядка 200 м/с, то морской навигационный радиолокатор вообще не обнаружит такие самолеты. Ошибка измерения, вызванная допплеровским смещением частоты, будет превышать измеряемую дальность. В этом случае отметки цели, теоретически, могут появляться на отрицательной дальности, то есть до начала развертки на экране.

Треугольная форма изменения частоты

Рисунок 3. К пояснению использования треугольного закона модуляции частоты

При треугольной форме изменения частоты дальность цели может измеряться как по нарастающему, так и по спадающему фронту. На Рисунке 3 эхо-сигнал смещен вправо на величину времени запаздывания относительно излучаемого сигнала. При отсутствии допплеровского сдвига частоты величина разности частот во время нарастающего фронта равна разности, измеренной во время спадающего фронта.

Разность частот (с учетом допплеровской добавки) для определения дальности до цели, а также величина допплеровской добавки частоты в случае движущейся цели могут быть определены по формулам:

Рисунок 4. Мнимые цели, графическое решение

Рисунок 4. Мнимые цели, графическое решение

Рассчитанное значение f (R) затем может быть использовано в формуле (1) для расчета точной дальности цели.

Положение мнимых целей также зависит от крутизны функции модуляции. Поэтому проблема решается путем использования циклов измерений с различной крутизной наклона. Тогда на отображение выводятся только те цели, измеренные координаты которых в обоих циклах измерения соответствуют одному и тому же положению цели.

Рисунок 5. Разность фаз Δ_n(φ) как мера количества длин волн, соответствующих удвоенному расстоянию (в обе стороны)

Рисунок 5. Разность фаз Δ_n(φ) как мера количества длин волн, соответствующих удвоенному расстоянию (в обе стороны)

Частотная манипуляция

Приемопередатчик просто поочередно переключается прямоугольным управляющим напряжением между двумя частотами излучения. Существует два основных способа обработки сигналов с выхода приемопередатчика. Первый способ заключается в том, чтобы измерять длительность интервала времени до момента изменения частоты. Сигнал на выходе приемопередатчика представляет собой импульс, длительность которого является мерой расстояния. Такой способ схож с применяемым в импульсном радиолокаторе и по тем же причинам имеет невысокую точность или значительную технологическую сложность.

Второй способ заключается в сравнении фаз эхо-сигналов на двух частотах. Во время положительного размаха импульса радиолокатор работает на первой частоте, а в межимпульсном периоде — на второй. И в первом и во втором интервалах, длительность которых измеряется миллисекундами, радиолокатор работает как радиолокатор непрерывного излучения. На выходе смесителя понижения частоты (смотри структурную схему) появляется постоянное напряжение, соответствующее разности фаз между принятым и излученным сигналами. Разность фаз эхо-сигналов на разных излучаемых частотах (технически — разность напряжений на выходе смесителя) является мерой расстояния. Следует понимать, что эхо-сигналы на разных частотах не обрабатываются одновременно, поэтому значения напряжения должны храниться в цифровом виде.

Однако в силу периодичности синусоидальной волны этот метод имеет очень ограниченный диапазон однозначного измерения дальности. Это диапазон, в пределах которого разность фаз между обоими эхо-сигналами не превышает величины, соответствующей половине длины волны. Разница в 20 МГц между двумя излучаемыми частотами соответствует диапазону однозначно измеряемых дальностей в 15 м. Несколько близко расположенных целей не разделяются, поскольку на выходе смесителя может измеряться только один фазовый угол. Сигналы от нескольких целей перекрываются одним выходным напряжением, в котором доминирует вклад наиболее интенсивной цели.

Если оба описанных метода анализа (по времени и по фазе) применяются одновременно, то результат измерения по времени можно использовать как грубую оценку (начальное приближение) дальности. Полученный в результате измерения по фазе результат можно умножать (кратно длине волны) до тех пор, пока результат не станем достаточно близким к оценке, полученной по измерениям времени. Таким образом устраняется проблема неудовлетворительности диапазона однозначного измерения дальности фазовым методом.

Ступенчатое изменение частоты

В целом, применение такого закона модуляции частоты характеризуется теми же достоинствами и недостатками, что при простой частотной манипуляции (прямоугольный закон изменения частоты). Однако в данном случае радиолокатор работает на нескольких последовательно изменяющих частотах. На каждой из этих отдельных частот измеряется фаза эхо-сигнала. Диапазон однозначного измерения дальности значительно расширяется, поскольку неоднозначность может возникнуть теперь при совпадении фазовых соотношений между несколькими частотами.

Этот метод будет очень интересен, если для отдельных частот можно будет наблюдать резонансы, соответствующие неоднородностям отражающего объекта. В этом случае такой метод измерения переходит в область интерферометрии.

Рисунок 6. Структурная схема радиолокационного датчика с FMCW

Рисунок 6. Структурная схема радиолокационного датчика с FMCW (интерактивный рисунок)

Структурная схема радиолокационного сенсора с частотной модуляцией непрерывного излучения

Плата управления содержит микропроцессор, который управляет приемопередатчиком и преобразовывает эхо-сигналы в цифровую форму, а также (как правило, через USB-интерфейс) обеспечивает соединение с персональным компьютером или ноутбуком. При помощи цифро-аналогового преобразователя формируется управляющее напряжение для генератора. Напряжение с выхода смесителя оцифровывается.

Рисунок 7. Полосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора Х-диапазона

Рисунок 7. Полосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора Х-диапазона

В радиолокаторе с визуализацией должно выполняться измерение дальности для каждой точки на мониторе. Разрешение по дальности здесь больше зависит от размера пикселя этого экрана и от скорости обработки данных сигнальным процессором. Требуется экран с высоким разрешением так, чтобы для каждой разности расстояний обеспечивалось, как минимум, два пикселя. Поэтому даже если измеренный сигнал будет находиться точно между двумя пикселями, то оба пикселя «загораются» и при перемещении цели количество задействованных пикселей, а значит и относительная яркость отметки цели, будут одинаковы.

Используя упомянутый выше в качестве примера Broadband-Radar ™ с изменением частоты 65 МГц за миллисекунду, можно получить хорошие результаты.

Рисунок 8. Аналоговый индикатор радиовысотомера

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник

«Радиолокация для всех»: просто о сложном

В начале июня в свет вышла научно-популярная книга «Радиолокация для всех». Коллектив авторов под руководством генконструктора концерна «Вега», члена-корреспондента РАН, Владимира Вербы успешно справился с нелегкой задачей – рассказать просто о сложном.

Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была нацелена на решение военных задач, но сегодня без ее помощи человек не может обходиться и в своей повседневной жизни – это мобильная связь, авиаперелеты, медицинская диагностика и многое другое. Данное издание может заинтересовать даже тех, кто совсем далек от радиотехники. Пролистаем книгу вместе и расскажем вкратце об основных понятиях, физических основах радиолокации и структуре РЛС.

Первые эксперименты: радиоволны в открытом море

Термин «радиолокация» происходит от двух латинских слов: «radiare», которое означает «излучать», и «locatio» – «размещение, расположение». Сложение этих двух слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается определением местоположения различных объектов по излученным от них сигналам.

Это самое общее толкование слова «радиолокация». Более точной формулировкой будет следующая. Под радиолокацией понимают область радиоэлектроники, которая занимается разработкой методов и технических устройств (систем), предназначенных для обнаружения и определения координат и параметров движения различных объектов с помощью радиоволн.

С помощью радиолокации обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения) различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и морским движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности движения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явлений, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принципах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма человека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.

Самолет дальнего радиолокационного обнаружения и управления А-50У

Первые упоминания о возможности использования радиоволн для обнаружения различных объектов относятся ко второй половине 90-х годов XIX столетия. В частности, годом рождения радиолокации в России считается 1897-й, когда изобретатель радио Александр Степанович Попов, проводя свои эксперименты в открытом море по установлению связи с помощью беспроводного телеграфа, обнаружил эффект отражения радиоволн. Было это так. Летом 1897 года под руководством А.С. Попова в Финском заливе проводились испытания радиоаппаратуры, изобретенного им беспроволочного телеграфа. В испытаниях принимали участие два морских судна – транспорт «Европа» и крейсер «Азия». На данных судах были установлены приемная и передающая аппаратура, и между ними поддерживалась непрерывная радиосвязь.

Неожиданно между кораблями прошел линейный крейсер «Лейтенант Ильин». Связь между кораблями прервалась. Через некоторое время, когда «Лейтенант Ильин» прошел линию, соединяющую корабли, связь возобновилась. Это «затенение» было замечено испытателями, и в отчете А.С. Попова по результатам экспериментов было отмечено, что появление каких-либо препятствий между передающей и приемной позициями может быть обнаружено как ночью, так и в тумане. Так родилась радиолокация.

Физика процесса: эффект Доплера, или «умное эхо»

Как и любое направление развития науки и техники, радиолокация базируется на некоторых физических основах, позволяющих обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнаруживать различного рода объекты и определять координаты и параметры их движения с помощью радиоволн.

Использование радиоволн, или, другими словами, электромагнитных колебаний (ЭМК), частотный диапазон которых сосредоточен в пределах от 3 кГц до 300 ГГц, определяет основные преимущества радиолокационных систем (РЛС) перед другими системами локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь, это обусловлено тем, что закономерности распространения радиоволн в однородной среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает работоспособность РЛС.

Основными закономерностями распространения радиоволн, которые позволяют обнаруживать объекты и измерять координаты и параметры их движения, являются следующие:

– постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн в однородной среде (при проведении инженерных расчетов скорость распространения радиоволн принимают равной 3·10 –8 м/с;

– способность радиоволн отражаться от различных областей пространства, электрические или магнитные параметры которых отличаются от аналогичных параметров среды распространения;

– изменение частоты принимаемого сигнала по отношению к частоте излученного сигнала при относительном движении источника излучения и приемника радиолокационного сигнала.

Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера, который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волны и наблюдателя относительно друг друга.

Доплеровский метеорологический радиолокатор

В 1848 году эффект Доплера был уточнен французским физиком Арманом Физо, а в 1900 году – экспериментально проверен русским ученым Аристархом Белопольским на лабораторной установке. В этой связи в научно-технической литературе наименование данного эффекта можно встретить под названием «эффект Доплера – Белопольского».

Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС излучает в ее направлении зондирующий сигнал. Данный сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается обратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость распространения радиосигнала в однородной среде постоянная, то для определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излучения зондирующего сигнала t₀ и момент приема отраженного сигнала от цели t₁. В результате разность (t₁ – t₀) позволяет определить время, в течение которого радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, которое равно 2Д, где Д – дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t₁ – t₀) в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как t_д. В результате при известной величине t_д можно составить равенство 2Д = Сt_д, из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна Д = Сt_д/2.

Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаздывания t_д, которое при известной скорости распространения радиоволн позволяет определить дальность до нее.

Большой процент объектов радиолокационного наблюдения составляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, например, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т.д. Основным отличительным признаком таких объектов является скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее, можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиальную скорость движения цели. То есть частота принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изменение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским смещением частоты. Величина данного смещения зависит от скорости взаимного движения носителя РЛС и цели. Необходимо заметить, что рассмотренные свойства радиоволн будут проявляться вне зависимости от условий оптической видимости в зоне радиолокационного наблюдения.

Основные классы РЛС

Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью одноименных радиолокационных устройств – радиолокационного обнаружителя или радиолокационного измерителя дальности соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, предназначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется радиолокационной системой (РЛС), или радиолокатором. Техническая реализация такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англоязычной литературе – радаром.

Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный сигнал. В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала различают следующие типы РЛС, или методы радиолокации.

1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения. При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодействия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устройстве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели. Данный метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС находятся в одной точке пространства.

2. Активные РЛС с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате отражения излучаемых электромагнитных колебаний целью, а за счет переизлучения их с помощью специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором. Данный метод широко используется в системах определения государственной принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением, а также в радионавигационных системах.

3. Полуактивный метод радиолокации, или полуактивные РЛС. При использовании данного метода радиолокационный сигнал формируется, как при активном методе путем отражения зондирующих электромагнитных колебаний от цели. Но передающее устройство (передатчик РЛС) и устройство, принимающее отраженные сигналы (приемник РЛС), разнесены в пространстве. Данный метод, например, широко используется при наведении управляемых ракет класса «воздух – воздух» на поражаемые воздушные цели.

4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблюдения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного устройства. Отсутствие необходимости формирования зондирующего колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника, например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей стороны.

Таким образом, радиолокационные системы могут быть активными, полуактивными, активными с активным ответом и пассивными. Кроме того, все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.

В первую группу входят РЛС класса «воздух – воздух», основной задачей которых является обнаружение, измерение координат и параметров движения воздушных целей. К данным РЛС относятся, например, радиолокационные станции перехвата и прицеливания, устанавливаемые на самолетах-истребителях, либо авиационные РЛС дальнего радиолокационного обнаружения воздушных целей.

Радиолокационная станция контроля территорий «Форпост-М»

Вторую группу составляют РЛС класса «воздух – поверхность». Данные РЛС служат для получения радиолокационного изображения земной поверхности либо информации о координатах и параметрах движения наземных целей. К данным системам относятся, например, РЛС обзора Земли, которые обеспечивают получение радиолокационного изображения поверхности Земли и информации о координатах и параметрах движения наземных целей. В эту группу входят также и РЛС, обеспечивающие радиолокационную разведку наземных объектов и наблюдение малоразмерных наземных целей.

В третью группу входят РЛС класса «поверхность – воздух», основной задачей которых, как и радиолокаторов первой группы, является обнаружение, измерение координат и параметров движения воздушных целей. Однако местом установки таких систем являются либо поверхность Земли, либо объекты наземной и морской техники (подвижные или стационарные). Типичным представителем таких систем являются РЛС обнаружения, входящие в системы управления воздушным движением или противовоздушной обороны страны, а также РЛС, призванные для наблюдения за метеорологической обстановкой.

Четвертую группу составляют РЛС класса «поверхность – поверхность», основной задачей которых является обнаружение, измерение координат и параметров движения наземных целей либо воздушных объектов при перемещении последних по поверхности Земли. Типичным представителем таких систем являются, например, РЛС обзора летного поля, которые входят в системы управления движением самолетов при рулении их по летному полю.

Из приведенных примеров РЛС заявленных классов следует, что на первом месте в названии класса стоит слово, обозначающее место установки радиолокатора, а на втором – слово, определяющее объект, по которому работает РЛС. В частности, например, если речь идет о классе РЛС «поверхность – воздух», то это значит, что РЛС находится на земной поверхности, а объектами ее наблюдения являются воздушные цели.

Кроме отмеченных, существует еще одна группа РЛС, которые строятся по многофункциональному принципу и объединяют в себе решение задач, например, возлагаемых как на радиолокационные системы класса «воздух – воздух», так и на системы класса «воздух – поверхность». Другими словами, данные РЛС объединяют в себе функции радиолокаторов различных классов. Такими, например, являются бортовые РЛС, устанавливаемые на современные истребители.

РЛС «Жук-АЭ» для истребителя МиГ-35

В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые строятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния организма человека либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо наблюдения космических объектов и т.п. Но в целом приведенная классификация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному предназначению.

Таким образом, радиолокационные системы делятся на пять больших классов: РЛС класса «воздух – воздух», РЛС класса «воздух – поверхность», РЛС класса «поверхность – воздух», РЛС класса «поверхность – поверхность» и многофункциональные РЛС.

Как «искусственный интеллект» ищет цель

Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит от назначения системы и задач, решение которых возлагается на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого радиолокатора.

Представим структурную схему гипотетической РЛС, в основу работы которой положен активный метод радиолокации при импульсном режиме излучения, то есть с использованием импульсных зондирующих сигналов в виде чередующихся во времени отрезков колебаний.

На данной структурной схеме можно представить шесть основных элементов типовой РЛС, которые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, – передатчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переключатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.

Передатчик, или передающий тракт РЛС, обеспечивает формирование зондирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и передачу в антенную систему. Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу, так и на прием. Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечивается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами системы управления и синхронизации.

Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до необходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора. Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обработки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию полезного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые действуют одновременно с полезным сигналом.

После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компьютеру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще называют цифровой системой обработки.

Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систему обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радиолокационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать технические системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом. Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искусственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.

Подробнее о радиолокационных системах, их применении и перспективах читайте в книге «Радиолокация для всех» (В.С. Верба, К.Ю. Гаврилов, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский, А.А. Филатов / под редакцией члена-корреспондента РАН В.С. Вербы).

Источник