Радиолокация

Во время Великой Отечественной войны радиолокация помогала нашим воинам своевременно обнаруживать вражеские самолеты и корабли и наносить по ним сокрушающие удары. Сейчас она — верный страж границ нашей Родины.

Радиолокация является средством обнаружения и определения местоположения различных объектов в воздухе, на воде, на земле, в космосе при помощи радиоволн. Она основана на свойстве радиоволн от­ражаться от предметов, встречающихся на их пути. Это явление было открыто немецким ученым Г. Герцем. Отражение воли от больших объектов наблюдал изобретатель радио А. С. Попов еще в 1897 г. во время опытов по радио­связи на Балтийском море. Однако бурное развитие радиолокации началось лишь в период Великой Отечественной войны.

В чем сущность радиолокации?

Ты, конечно, знаешь, что эхо — явление отражения звука. Его можно наблю­дать в больших пустых аудиториях, в горах. Оно может быть использовано для определения расстояния до предмета, препятствия. Вот конкретный, близкий тебе пример. Ты отправился с товарищами в поход. На вашем пути оказалось ущелье, а за ним — почти отвесная скала (рис. 371). Можно ли, не сходя с места, определить расстояние до скалы7 Можно! Для этого надо только иметь точный секундомер. Крикни громко и отрывисто через некоторое время ты услышишь отголосок звука. Это звуковое эхо. Короткая очередь звуковых волн, созданная тобой, долетела до скалы, отразилась от нее и вернулась к тебе. Допустим, что время, которое прошло с момента выкрика до момента прихода эха, оказалось равным 6 с. Звуковые волны распространяются в воздухе со ско­ростью 340 м/с. За 6 с они прошли путь от тебя до скалы и обратно. Длина этого пути 340 х 6 = 2040 м. Значит, расстояние до скалы 2040 :2 = 1020 м.

Рис. 371. Определение расстояния до скалы по времени прохождения звуковых волн.

Явление эха используется также для измерения глубин морей и океанов. Для этого существуют специальные аппараты — э х о л о т ы. В днище корпуса судна укреплены излучатель мощных ультразвуковых волн, имеющий направлен­ное действие, и устройство для приема этих волн после отражения их от морского дна (рис. 372). Излучатель включают па очень короткие промежутки времени. Возбужденный им импульс волн ультразвуковой частоты пронизывает толщу воды и, отразившись от дна, возвращается к приемному устройству. Скорость распространения ультразвуковых волн в воде известна: она равна 1450 м/с — почти в 5 раз больше, чем в воздухе. Если эту скорость, выражен­ную в метрах, умножить на время между моментами излучения и приема от­раженного сигнала, а произведение разделить на 2, то результат и будет глу­биной моря в метрах. Так, например, если эхолот зарегистрировал время про­хождения сигнала 0,8 с, то глубина моря в этом месте равна 580 м.

В природе есть живые существа, которые при своем движении пользуются явлением отражения волн. Это, например, летучие мыши. Летучую мышь можно пустить в совершенно темную комнату с веревочной паутиной и она, летая в ком­нате, ни разу не натолкнется на веревку. Природа наградила летучую мышь чувствительным органом приема ультразвуковых волн, излучателем которых является она сама. Если на пути полета мыши имеется какой-то предмет, го он отразит излучаемые ею волны, что явится для нее сигналом о препятствии — надо повернуть. Если чувствительный орган мыши не улавливает отраженные волны, значит, впереди препятствия нет — можно продолжать путь в том же направлении.

Радиоволны также отражаются и рассеиваются различными предметами в разные стороны. Отраженные радиоволны — это радиоэхо. Они могут быть уловлены радиоприемником. Зная скорость распространения и время прохожде­ния импульса радиоволн от его источника до отраженного предмета и обратно, нетрудно определить длину его пути. На этом и основана радиолокация.

Рис. 372. Измерение глубины моря при помощи эхолота.

Любая радиолокационная станция, именуемая также радиолокатором, или сокращенно РЛС, содержит радиопередатчик, радиоприемник, антенну и инди­каторы, позволяющие обнаруживать цели и определять их текущие координаты. Передатчик, работающий на постоянной частоте, излучает в пространство радио­волны. Если на их пути встречается какое-то препятствие, например самолет, оно отража­ет и рассеивает радиоволны во все стороны, в том числе и в сторону РЛС. Чувствитель­ный приемник, настроенный на частоту пере­датчика, принимает отраженные волны, а включенный на его выходе индикатор даль­ности показывает расстояние до предмета.

Но мало знать, что отражающий радио­волны самолет находится на таком-то рас­стоянии. Надо знать еще и направление. Что­бы определить, в каком месте находится дан­ный предмет, антенна РЛС должна посылать радиоволны не во все стороны, как радиове­щательная станция, а направленным, сравни­тельно узким пучком, подобным световому лучу прожектора. В этом случае приемник радиолокатора зафиксирует сигналы, отра­женные только тем самолетом, который на­ходится в направлении излучения радиоволн.

Наилучшее отражение радиоволн проис­ходит, когда их длина соизмерима с разме­рами предмета. Поэтому радиолокаторы ра­ботают на метровых, дециметровых, санти­метровых и миллиметровых волнах, т. е. на частотах свыше 60 МГц. Энергию радиоволн таких длин, кроме того, легче концентриро­вать в узкий пучок, что имеет немало­важное значение для «дальнобойности» ра­диолокатора и точности определения места нахождения того или иного объекта.

Каким же образом радиолокатор обнаруживает объект, если он излучает энергию радиоволн узким направленным пучком? Антенна его передатчика может вращаться, а также изменять угол наклона, посылая волны в различных направлениях. Она же является и приемной антенной.

Наиболее простая антенна РЛС, работающей в метровом диапазоне, пока­зана в схематическом виде на рис. 373, а. Она имеет такую же конструкцию, как многоэлементные телевизионные приемные антенны, только снабжена еще механизмом вращения и наклона. Длина вибратора равна приблизительно половине длины излучаемой волны. Ток высокой частоты подводится к активному вибратору. Такая антенна посылает радиоволны довольно узким направленным пучком в сторону директоров. Она же и принимает отраженные сигналы, ко­торые идут со стороны директоров.

Другая конструкция антенны наземной РЛС метрового диапазона показана на рис. 313,6. Она имеет большое число излучаемых вибраторов, расположен­ных в одной плоскости. Металлическая конструкция, на которой смонтированы вибраторы, выполняет роль рефлектора антенны. Чем короче радиоволна станции, тем меньше размеры излучаемого вибратора и рефлектора и общие размеры антенны. Так, например, рефлекторная антенна станции сантиметрового диапазона может иметь размеры, не превышающие размеров тарелки.

Рис. 373. Антенны направленного излучения

Передатчики PЛC работают, как правило, в импульсном режиме; импуль­сами излучают радиоволны и их антенны. При импульсном режиме передатчик в течение очень короткого промежутка времени создает «очередь» радиоволн, после чего наступает сравнительно продолжительный перерыв-пауза, в течение которой он «отдыхает». Во время перерыва происходит прием отраженных волн. Затем снова излучается такой же импульс, за ним опять следует пауза и т. д. При таком режиме антенна передатчика как бы «стреляет» в пространство ко­роткими очередями радиоволн.

Допустим, что каждый импульс РЛС длится 10 мкс и за каждую секунду излучается 500 таких очередей радиоволн. Следовательно, паузы между импуль­сами равны 1990 мкс, т. е. почти в 200 раз продолжительнее, чем импульсы. Получается, что передатчик за сутки в общей сложности работает всего не боль­ше нескольких минут. А мощность импульса достигает десятков, сотен и даже тысяч киловатт. Она во много раз больше мощности, потребляемой радиоло­катором от источника питания. Объясняется это тем, что во время паузы в передатчике происходит накапливание электрической энергии, которая затем в течение очень короткого промежутка времени преобразуется в колебания высокой частоты и излучается антенной.

Расстояние до объекта определяют, как я уже говорил, временем между моментом посылки импульса и возвращением «радиоэха». Радиоволны рас­пространяются со скоростью 300000 км/с (точнее, 299 820 км/с). Это значит, что от самолета, находящегося, например, на расстоянии 150 км, радиоэхо вернется через 0,001 с, а при расстоянии до него 300 км — через 0,002 с. Для измерения таких коротких промежутков времени не годятся даже самые лучшие секундо­меры, ибо неточность в отсчете времени даже 0,1 мс даст ошибку, равную десяткам километров.

В РЛС отсчет времени ведется при помощи электронного секундомера, роль которого обычно выполняет электронно-лучевая трубка. В про­стейшем виде она представляет собой стеклянный баллон с электродами и силь­ным разрежением воздуха внутри (рис. 374). Экраном служит плоская широкая часть трубки, покрытая с внутренней стороны тонким слоем люминофо­ра— полупрозрачного вещества, светящегося под ударами электронов. Катод электронно-лучевой трубки подобен подогревному катоду электронной лампы. Он окружен металлическим цилиндром с небольшим отверстием посередине, через которое вылетают излучаемые катодом электроны. Это управляющий электрод трубки.

Pиc. 374. Устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки.

Неподалеку от него расположен первый анод, имеющий форму полого цилиндра. На этот анод относительно катода подается положительное напряжение, под действием которого электроны, излучаемые катодом, получают ускорение. За первым анодом находится второй. Это может быть полый ци­линдр или токопроводящее покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность горловины трубки. На него подается еще более высокое положительное напря­жение, чем на первый анод. Электроны, пролетая его, приобретают еще боль­шую скорость движения к экрану. Напряжения на электродах трубки подби­рают так, что между ними образуется электрическое поле, обладающее свой­ством собирать электроны, летящие к экрану, в узкий пучок-луч.

Под действием ударов электронов люминофор светится — на экране появля­ется светящаяся точка (рис. 374, б). Она тем ярче, чем больше электронов в луче и чем больше их скорость. Управляющий электрод изменяет плотность электрон­ного луча н, следовательно, яркость светящейся точки на экране.

Всю систему, состоящую из катода, управляющего электрода и анодов, называют электронным прожектором электронно-лучевой трубки.

Между анодами и экраном трубки размещены еще четыре пластины, носящие название отклоняющих. Они образуют два плоских конденсатора, электрические поля которых перпендикулярны друг другу. Подавая напряжение на пару вертикально расположенных пластин, электронный луч можно отклонить влево или вправо и таким образом перемещать светящуюся точку на экране по горизонтали. Это — пластины горизонтального отклонения луча. Вторая пара пластин, расположенных горизонтально, образует конден­сатор, позволяющий электронный луч и светящуюся точку на экране перемещать по вертикали. Это — пластины вертикального отклонения луча.

Используя электронно-лучевую трубку в качестве электронного секундомера, на ее пластины горизонтального отклонения луча подают от специального ге­нератора переменное напряжение пилообразной формы (рис. 374, в), называемое напряжением горизонтальной развертки Uгр. От обычного синусоидального на­пряжения пилообразное отличается главным образом тем, что оно снижается значительно быстрее, чем возрастает, причем изменение напряжения происходит не по кривым, а по прямым линиям. При этом электронный луч чертит на экране трубки прямую горизонтальную светящуюся точку (рис. 374, г)—линию горизонтальной развертки. Она-то и выполняет роль шкалы такого прибора радиолокатора. Если на пластины вертикального отклонения луча по­дать импульс отраженного сигнала, он вызовет на этой шкале отметку в виде всплеска.

На пластины горизонтального отклонения луча прибора подают пилооб­разное напряжение развертки той же частоты, с которой происходит излучение зондирующих пачек радиоволн, например 1000 Гц. При такой частоте электрон­ный луч 1000 раз в 1 с прочеркивает экран, образуя на нем прямую светящу­юся линию. Общая длина линии на экране при этом соответствует в масштабе отрезку времени длительностью 0,001 с, т. е. 1 мс. Она может быть отградуи­рована в километрах.

Луч на экране трубки начинает двигаться слева направо от нулевого деления шкалы в тот момент, когда происходит излучение импульса. Момент посылки импульса отмечается выбросом линии у нулевого деления шкалы трубки. Пласти­ны вертикального отклонения луча трубки включены на выходе приемника. Если в приемник не поступают отраженные импульсы, то остальная часть линии развертки на экране трубки имеет вид прямой. Но как только начинают поступать отраженные импульсы, на светящейся линии получается второй выброс. Для случая, показанного на рис. 375, видно, что расстояние до объекта, отразившего радиоволны, равно 70 км.

Как операторы РЛС определяют текущие коордннаты обнаруженного объ­екта, например самолета? По его азимуту, т. е. по углу между направлением на север и направлением на самолет, и по углу места —углу, образуемому горизонтальной линией и наклонной линией, направленной на самолет (рис. 376). Эти данные фиксируют индикаторы по положению антенны. А когда известны азимут, угол места и наклонная дальность, то нетрудно рассчитать высоту полета и место, где в данный момент находится обнаруженный само­лет. В РЛС все эти расчеты производятся, разумеется, автоматически. Очевидно, что если РЛС находится на земле или установлена на корабле и предназна­чена для наблюдения за наземными или плавающими по воде кораблями, нет необходимости измерять угол места.

Чтобы ты имел более полное представление о РЛС, разберем ее работу по упрощенной структурной схеме, изображенной на рис. 377. На ней показаны только основные устройства и их взаимосвязь.

Антенна, излучающая импульсы радиоволн и принимающая отраженные радиоволны, обладает острой направленностью. При помощи электродвигате­лей она, нащупывая цель, может вращаться вокруг своей оси и изменять угол наклона. С механизмом вращения и наклона антенны связаны приборы, показы­вающие азимут и угол места самолета, на который в данный момент она направлена. Генератор передатчика и приемник имеют с антенной не прямую связь, а через переключатель, роль которого выполняют электронные приборы. Во время посылки импульсов радиоволн антенна подключена к передатчику, а во время пауз — к приемнику. Принятые отраженные сигналы после усиления и детектирования подаются на электронно-лучевую трубку указателя дальности. Горизонтальное движение луча этой трубки осуществляется пилообразным напряжением генератора развертки. Новым для тебя в этой схеме является хронизатор — устройство, согласующее работу генератора передатчика, ан­тенного переключателя и генератора развертки трубки дальномера. Через строго определенные промежутки времени он вырабатывает пусковые импульсы, дей­ствующие на генераторы развертки электронно-лучевой трубки. Хронизатор обеспечивает слаженность работы всех приборов и устройств PЛC.

Рис. 375. «Выброс» линии на экране электронно-лучевой трубки указывает расстояние до цели. Рис. 376. Определение направления и высоты полета самолета,

Рис. 377. Структурная схема радиолокационной станции.

Современные PЛC имеют, как правило, не три, как на структурной схеме, а два основных электронных индикатора: индикатор кругового обзора и индикатор высоты цели. Электронно-лучевая трубка ин­дикатора кругового обзора (рис. 378) имеет радиальную развертку, светящаяся линия которой перемещается по кругу синхронно с вращением антенны. На обрамление экрана трубки нанесены метки градусов азимутальной шкалы. На самом экране электронным методом создают концентрические масштабные отметки наклонной дальности (на рис. 378 — через 50 км). На экране такого индикатора фиксируются все объекты, находящиеся в зоне действия станции, и видны их азимуты и наклоны дальности. Например, для случая, показан­ного на рис. 378, азимут объекта а 90°, наклонная дальность 150 км, а для объекта б соответственно 230° и 375 км.

Рис. 378. Индикатор кругового обзора.

Угол места определяют по индикатору высоты цели с помощью так назы­ваемого гониометра — устройства, изменяющего диаграмму направленности антенны. Таким образом, эти два индикатора позволяют оперативно, за 10 —15 с, определять и следить за текущими координатами всех целей, находящихся в зоне обнаружения РЛС.

Ты вправе задать вопрос: а как же узнать, свой или чужой самолет обна­ружен? На самолетах устанавливают небольшие передатчики, которые автомати­чески включаются при облучении их радиоволнами запросчика своей РЛС и посылают ответные опознавательные сигналы. Ответные сигналы своего само­лета видны на экране индикатора кругового обзора. Если ответных сигналов нет — значит, самолет чужой.

Достаточно полное представление о РЛС тебе даст рис. 379. На нем изображена развернутая подвижная наземная РЛС, рассчитанная главным обра­зом на обнаружение и определение координат самолетов и крылатых ракет. Все оборудование и имущество станции размещено в кузовах двух автомобилей с повышенной проходимостью. В кузове одного автомобиля находятся агре­гаты питания, в кузове второго радиолокационная аппаратура. Неподалеку от них установлена антенна запросчика. При размещении такой станции на ровной площадке радиусом около 500 м дальность обнаружения самолетов-бомбарди­ровщиков, летящих па высоте 10000 м, достигает 180 — 200 км.

Рис. 379. Радиолокационная станция П-10.

1 — аппаратная машина; 2 — силовая машина; 3 — антенна PЛC; 4 — антенна запросчика.

Конструкция, габариты и «профессии» РЛС весьма разнообразны. Сейчас трудно назвать род Вооруженных Сил, где бы в той или иной степени не использовалась радиолокационная аппаратура. Без нее невозможно наиболее эффективно использовать быстрокрылые истребители-перехватчики, зенитно-ракетные установки, самолеты-ракетоносцы, корабли различного назначения и другую военную технику.

Советская Армия и Военно-Морской Флот получают на вооружение все более совершенную технику. И чтобы она всегда была в боевой готовности, ее надо хорошо знать и в совершенстве управлять ею. Вот почему сейчас молодежь начинает изучать эту технику на учебных пунктах, на курсах радиошкол ДОСААФ еще до призыва в Вооруженные Силы нашей Родины.

Итак, позади двадцать одна беседа. Рассказано, кажется, о многом, и в то же время это был далеко не полный рассказ о роли радиоэлектроники в нашей жизни.

Вспомни, о чем был разговор в наших беседах? Главным образом об основах радиоэлектроники, приемниках и усилителях. Немного поговорили об автоматике и телемеханике, об электромузыке, о радиоспорте, чуть коснулись техники связи в Вооруженных Силах страны. И только. Да, и только, потому, что все это лишь часть многообразия применений радиоэлектроники.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель