Радиолокация
Радиолокация
Радиолокация (от лат. location — размещение, распределение) – это обнаружение, распознавание и определение пространственных координат различных объектов с помощью радиотехнических средств. В основе радиолокации лежит явление отражения радиоволн, которое наблюдал Г. Герц.
Факт задержки радиоволн отдельными объектами установил еще в 1897 г. А. С. Попов, когда прохождение одного корабля между двумя другими кораблями нарушило радиотелеграфную связь между ними вследствие отражения радиоволн от металлического корпуса корабля.
Первый радиолокатор (под названием телемобилоскоп) был описан в патентной заявке немецким инженером X. Хюльсмайером в 1904 году.
В 1922 г. американские ученые А. Тейлор и Н. Юнг повторили опыты Попова. В 1925 г. в США были использованы посылки импульсов радиоволн для определения высоты ионизированного слоя. С середины 1920-х годов и позднее рядом ученых во многих странах, в том числе и советскими учеными (Б. А. Введенским и др.), велись исследования по изучению характера распространения ультракоротких волн над земной поверхностью.
Появление в Первой мировой войне авиации и танков заставило искать пути раннего обнаружения техники противника. В 1920-е годы для этого использовались звукоуловители и теплоуловители. Но в условиях плохой погоды они не могли работать надежно. Поэтому в 1930-е годы на первый план вышла радиолокация – обнаружение объектов при помощи радиоволн, отражающихся от их поверхности.
Для теоретической разработки основ радиолокационной техники важнейшее значение имели исследования советских ученых Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси по разработке радиотехнических методов измерения расстояний. В 1930 г. они впервые предложили радиоинтерференционный метод измерения расстояний. При помощи радиоволн, длина которых точно известна, определялось число волн, «укладывающихся» на данной дистанции (излучаемых в одном ее конце и отраженных от другого конца).
Реализация идеи радиолокации потребовала решения ряда научно-технических проблем, в частности, было необходимо создать генераторы ультракоротких волн и чувствительные приемники очень слабых сигналов отраженных от объекта. В 1934–1935 годах английским ученым, исследователем ионосферы Р. Уотсоном-Уаттом, были начаты работы по обнаружению движущихся целей, а также определению расстояния до них методом «радиоэхо». Эти исследования привели к созданию первых в Англии образцов радиолокационной аппаратуры. С 1935–1936 гг. на восточном побережье Англии стали создаваться радиолокационные станции (РЛС), позволявшие засекать самолеты на расстоянии до 75 миль, в 1939 г. здесь уже была построена почти сплошная цепь радарных станций.
Уже в начале Второй мировой войны в Англии появились первые наземные радиолокационные станции, предназначенные для обнаружения вражеских самолетов и кораблей. С этого времени радиолокационные установки стали играть все большую роль в военных операциях.
Работы по созданию первых советских РЛС были начаты под руководством инженеров М. И. Куликова и Д. С. Стогова, они использовали непрерывное излучение радиоволн. Подобные системы радиолокации исследовались уже с 1932 г. по инициативе инженера П. К. Ощепкова, а первые макеты РЛС с непрерывным излучением были разработаны и испытаны в 1934–1936 гг. под руководством инженера Б. К. Шембеля.
Действие первых практически использовавшихся советских РЛС было основано на появлении биений при пересечении линии передатчик – приемник. Первые станции появились в 1938 году.
Впоследствии наибольшее распространение получили импульсные РЛС, которые в нашей стране были разработаны впервые в 1937 г. под руководством инженера Ю. Б. Кобзарева. В СССР первые РЛС были применены для прикрытия Ленинграда с воздуха во время советско-финской войны 1939–1940 годов.
Принцип действия импульсной РЛС заключается в следующем. Радиолокационный передатчик посылает в пространство радиоволны, которые, отражаясь от какого-либо объекта, попадают в приемник РЛС. Зная скорость распространения радиоволн по интервалу времени между посылкой и возвращением радиосигнала можно определить расстояние до этого объекта. При этом направление на обнаруженный объект можно установить, применяя остронаправленные антенны. Для удобства отсчета моментов посылки и возвращения радиолокационных сигналов в импульсных РЛС эти сигналы формируются в виде кратковременных радиоимпульсов. Эти радиоимпульсы подобны радиотелеграфным точкам азбуки Морзе, но имеют длительность порядка нескольких микросекунд. Сейчас в радиолокации используются даже наносекундные радиоимпульсы.
В качестве индикатора локационных импульсов на выходе РЛС используется электронно-лучевая трубка. В современных РЛС трубка дополняется специализированной ЭВМ, которая значительно расширяет круг задач, оперативно решаемых с помощью РЛС, и повышает точность определения координат объекта.
Огромную роль сыграли радиолокаторы во время «битвы за Англию» в 1940 г. Сеть английских радиолокационных станций, расположенных по всему побережью Ла-Манша, засекала немецкие самолеты, бомбившие объекты на территории страны в основном ночью, наводила на них истребители. Немцы, стремясь воспрепятствовать бомбардировкам своих городов, также создали локаторы. Для борьбы с ними союзники применяли ложные цели, сбрасывая с самолетов миллионы кусочков алюминиевой фольги.
Во время Второй мировой войны локаторы устанавливали на самолетах, выполнявших «слепое бомбометание», а также боровшихся с подводными лодками противника.
Вследствие непригодности обычных радиоламп с электростатическим управлением для генерации и приема сантиметровых и миллиметровых волн появилась необходимость создания принципиально новых электронных приборов. К началу 40-х годов XX в. для генерирования больших мощностей был создан новый тип генератора сверхвысокочастотных колебаний сантиметрового диапазона, рассчитанный на импульсный режим работы – магнетрон, а также менее мощный генератор – клистрон.
После 1945 г. для усиления сантиметровых волн начинают все больше применяться так называемые электронно-волновые приборы – лампы с бегущей волной.
Радиолокация стимулировала развитие импульсной техники, освоение очень коротких радиоволн и специальных антенных устройств остронаправленного действия.
Сначала в радиолокации использовались метровые и дециметровые волны, а затем стали переходить к сантиметровым волнам, которым соответствует спектр частот от 30 тыс. до 3 тыс. мегагерц. Малая длина этих волн, являющихся частью диапазона ультракоротких волн, позволила создать сравнительно небольшие по размерам радиолокационные антенны, имевшие ширину направленности в несколько градусов и даже долей градуса. Это позволило обеспечить большую помехоустойчивость станции. Для этого используются специальные антенны с параболическим рефлектором, а также рупорные, щелевые, линзовые антенны.
После Второй мировой войны развитию радиолокации уделялось большое внимание. Это связано с появлением ядерного оружия, для доставки которого к цели применяются как самолеты, так и ракеты. Для защиты от атомного удара в СССР, США, Великобритания и других странах разворачивается мощная противовоздушная оборона. Ее важнейшей составной частью стали РЛС. Они обнаруживают цель и наводят на нее авиацию ПВО и зенитно-ракетные комплексы.
Специальные типы радиолокационных станций стали применяться для перехвата самолетов противника, для управления огнем артиллерийских установок и т. д. Появляются радиолокаторы, предупреждающие экипаж самолета о приближении вражеских самолетов сзади или снизу (в так называемом «мертвом секторе»).
Радиолокационные станции обнаружения для быстрого и точного опознавания кораблей или самолетов снабжались устройствами, работающими по принципу «запросчика» и «ответчика» (такой метод предполагает посылку «запросного» радиосигнала в направлении объекта и приема «ответного» сигнала, автоматически излучаемого передатчиком объекта). Вместе с тем начинает развиваться и «противорадиолокация» для обнаружения радиолокационных станций противника, для создания помех в их работе.
Во время войны во Вьетнаме для борьбы с РЛС противника американские войска стали применять противолокаторную ракету «Шрайк», которая наводилась по лучу локатора и уничтожала станцию.
В конце XX в. в США осуществляется программа «Стеле», в ходе которой создаются самолеты, невидимые для локаторов. Эти самолеты имеют специальную форму поверхности, рассчитанную на компьютере. Луч локатора, падающий на нее, рассеивается, и самолет становится невидимым для ПВО противника. Однако такая конструкция отрицательно сказывается на аэродинамике машины. Как показал опыт войн на Ближнем Востоке и в Югославии, объект, невидимый для современных РЛС, работающих в диапазоне миллиметровых волн, легко обнаруживается более старыми локаторами, работающими в диапазоне метровых волн.
В России разрабатывается самолет нового поколения, на котором установлена противолокационная защита, не влияющая на летные характеристики машины. Принципы, на которых основана ее работа, пока не разглашаются.
В военных целях созданы так называемые загоризонтные РЛС. Они применяются для наблюдения с расстояния в несколько тысяч километров с целью раннего обнаружения пусков баллистических ракет и определения их возможных траекторий, обнаружения ядерных взрывов, наблюдения за различными слоями атмосферы.
Радиолокация с большим успехом используется в гражданской авиации. Она применяется для осуществления слепых полетов, слепой посадки на аэродром, для измерения расстояний до наземных ориентиров, управления движением самолета в районе аэропорта. Бортовые самолетные РЛС используются также для определения истинной (путевой) скорости полета, выявления грозовых фронтов и для получения на экране радиолокационного изображения земной поверхности при отсутствии ее видимости. Радиолокационные высотомеры, устанавливаемые на самолете, позволяют с большой точностью определить истинную высоту полета. В условиях арктических полетов специальные бортовые РЛС позволяют определять толщину льда, что необходимо для установления возможности посадки самолета на льдину.
В морском и речном флоте радиолокация применяется для увеличения безопасности кораблевождения.
Радиолокация широко используется в метеорологии. Объектами радиолокационного обнаружения могут быть облака, осадки, грозовые очаги и фронты.
Методы радиолокации оказались чрезвычайно плодотворными для развития радиоастрономии. Ее интенсивное развитие началось после Второй мировой войны, хотя еще в довоенное время удалось зарегистрировать отражения радиоволн от Луны и обнаружить радиоизлучение Солнца.
Уже в 1945–1946 гг. в США и Венгрии были проведены опыты радиолокации Луны. С помощью мощного передатчика на Луну был направлен сигнал радиолокатора, а приблизительно через 3 сек отраженный сигнал вернулся на Землю. Расстояние до Луны, измеренное методом «радиоэхо», согласуется с данными других способов измерений.
Радиолокация планет позволила существенно уточнить их параметры (например расстояние от Земли и скорость вращения), состояние атмосферы и т. д. Такие исследования проводились в Советском Союзе под руководством академика В. А. Котельникова. В начале 60-х годов XX в. была произведена, в частности, радиолокация Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера.
С началом космической эры радиолокация применяется для слежения за искусственными спутниками Земли и измерения их траектории.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.