Цель: ознакомить учащихся со свойствами радиоволн различной длины и о развитии средств связи; объяснить принцип радиолокации и телевидения;
Формировать неформальные знания и умения в освоении понятий «радиолокация» и «телевидение»;
Воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики.
Оборудование: презентация «Понятие о телевидении».
Ход урока.
I.Организационный момент.
II. Актуализация знаний.
А). Беседа по вопросам.
1. Что такое электромагнитное поле?
2. Что называется электромагнитной волной?
3. Каковы основные характеристики электромагнитной волны?
4. Каково устройство и принцип действия вибратора Герца?
5. В чём состоит научное и практическое значение опыта Герца?
6. Рассказать о истории развития радио в России.
7. В чём значение опытов А.С. Попова?
8. Расскажите о назначении отдельных деталей приёмника
8. Какова роль Г.Маркони в развитии радиосвязи?
Б). Решение задач.
№1. Электромагнитная волна, с помощью которой передают сигнал бедствия SOS, имеет длину волны 600 м. Принята такая длина волны по международному соглашению. Найти на какой частоте передается этот сигнал.
№ 2. Радиоприемник в автомашине прекращает работу, когда она проезжает под мостом или эстакадой. Почему? (Происходит экранирование и частичное поглощение радиоволны).
№ 3. В приемном контуре колебательного контура включена катушка индуктивностью 2 мкГн.Найти электроемкость конденсатора, если радиоприемник принимает волны длиной 900 м.
№ 4. Подводные лодки, погружаясь на некоторую глубину, не могут пользоваться радиосвязью. Почему? (Морская вода, хороший проводник, она поглощает радиоволны)
III . Изучение нового материала
Распространение радиоволн
Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли. По нему распространяется так называемая поверхностная (земная) волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути.
Форма Земли ограничивает дальность приема поверхностных волн. Если бы они распространялись строго прямолинейно, то радиосвязь была бы возможна только на расстоянии прямой видимости. Но поскольку с высотой электрические и магнитные параметры атмосферы меняются, поверхностная волна преломляется, отклоняясь к Земле, ее траектория искривляется, и дальность приема увеличивается.
Препятствия на поверхности Земли отражают радиоволны. За препятствиями может образовываться радиотень, куда волна не попадает. Но если длина волны достаточно велика, то вследствие дифракции волна огибает препятствие и радиотень не образуется. Мощные радиостанции, работающие на длинных волнах, обеспечивают связь на несколько тысяч километров. На средних волнах связь возможна в зоне до несколько сотен километров. На коротких волнах - лишь в зоне прямой видимости. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли. На высоте порядка100-300 км волны встречаются со слоем, состоящем из воздуха, ионизированного электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемым им. Этот слой называют ионосферой.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны, большей 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Волны после отражения в ионосфера вновь попадают на Землю. Однако все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И, наоборот, если угол меньше некоторой предельной величины, волна под тем же углом отражается к Земле. Чем меньше длина волны, тем глубже волна проникает в ионосферу, а значит, с большей высоты отражается. Короткие волны распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях на Земле. На распространение радиоволн влияют форма и физические свойства земной поверхности, а так же состояние атмосферы.
Классификация радиоволн:
Длинные, средние, короткие волны используются в телеграфии, радиовещании, телевидение, радиолокации и так далее.
Метровые и дециметровые волны используются для исследования свойств вещества.
Сантиметровые и миллиметровые волны получают в магнетронах, мазерах. Применяются в радиолокации, радиоастрономии и радиоспектроскопии.
Электромагнитные волны нашли применение в радиолокации, где используется явление отражения электромагнитных волн. Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор состоит из приемной и передающей частей. Радиолокатор (радар) – это комбинация ультрокоротковолнового радиопередатчика и приёмника, имеющих общую приёмно-передающую антенну, создающую остронаправленный радиолуч. Излучение осуществляется короткими импульсами. В радиолокации используются волны сверхвысокой частоты – от 108 до 1011 Гц. Генератор, связанный с антенной излучают остронаправленную волну. Если длина волны 10 см, то радар имеет антенну в виде параболического зеркала. Если длина волны =1 м, то антенна радара имеет вид системы вибраторов. Отраженная волна принимается той же антенной, для этого она работает в импульсном режиме. Расстояние до объекта вычисляется по формуле:
R = с t/2 ; деление на 2, потому что волна идет до цели и обратно.
Применение радиолокационных установок:
Транспорт авиа, морской, железнодорожный, метеослужба, оборона Родины, астрономия. Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов по любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлёта и посадки самолётов. Военное дело: своевременное обнаружение самолётов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня. Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.
Аварийная радиоспасательная служба. Это совокупность искусственных спутников Земли, движущихся на круговых околополярных орбитах, наземных пунктов приёма информации и радиобуёв, устанавливаемых на самолётах, судах, а также переносимых альпинистами. При аварии радиобуй посылает сигнал, который принимается одним из спутников. ЭВМ, расположенная на нём, вычисляет координаты радиобуя и передаёт информацию в наземные пункты. Система создана в России (КОСПАС) и США, Канаде, Франции (САПСАТ). С её помощью удалось предотвратить гибель людей при авариях.
Зачем нужна связь?
Это способ общения людей, необходимое звено для ведения хозяйства любой страны.
Направления, по которым развиваются средства связи.
Телефонная связь. Сотовая связь. Радиосвязь. Телевизионная связь. Телеграфная связь. Космическая связь. Интернет. Фототелеграф. Видеотелефонная связь.
Области развития видов радиосвязи.
Радиовещание, телевидение, радиотелеграфия, радиотелефония.
Космическая связь.
Это обычная радиосвязь или лазерная связь с помощью, которых осуществляется связь между наземными приемно – передающими станциями и космическими аппаратами, или между несколькими наземными станциями через спутники связи или между космическими аппаратами.
Виды линии передачи радиоволн.
Линия, выполненная электрическим кабелем; двухпроводная линия; радиорелейная линия, волоконно – оптическая линия, лазерная связь.
Преимущества волоконно – оптической линии связи.
В настоящее время такие линии считаются самыми совершенными для передачи информации. В таких линиях используется эффект полного внутреннего отражения.
Большая пропускная способность, небольшие габариты и масса, отсутствие помех, малая стоимость – это не полный перечень достоинств таких линий.
Лазерная система связи.
РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СВЯЗИ
Современное общество не может развиваться без обмена информацией. Связь - это передача и прием информации с помощью различных методов. Одним из самых эффективных способов является передача информации с помощью электрических сигналов, т. е. электросвязь. Структура электросвязи фактически нам известна: передатчик сигнала – канал связи – приемник. Радиосвязь - частный случай электросвязи. В случае радиосвязи канал связи - это среда передачи электромагнитных волн.
Естественным спутником передачи сигнала являются помехи. Для исключения помех и для сохранения секретности информации применяют методы кодирования сигналов. Для передачи разных сигналов-сообщений необходимы разные полосы частот, т. е. свои каналы связи. Телефонные каналы работают в пределах от 300 до 3400 Гц, каналы звукового вещания - от 30 до 15 000 Гц, телевизионного вещания - от 50 Гц до 6 МГц. В одной линии может быть несколько каналов связи.
Совокупность различных свойств определяет длину радиоволны, используемую в конкретных системах связи. Однако влияние оказывают и не только чисто физические факторы. Так, в средней полосе России, где велика плотность населения, широкое распространение получили радиорелейные линии сантиметрового диапазона. Станции-ретрансляторы располагаются в пределах прямой видимости на расстоянии порядка 50 км и позволяют транслировать несколько телевизионных каналов и огромное количество телефонных. В районах Крайнего Севера, где плотность населения невелика, целесообразно применять радиорелейные линии дальнего тропосферного рассеивания, позволяющие ставить ретрансляторы на расстоянии 200 - 1000 км друг от друга. В то же время никакие волны, кроме мириаметровых, не смогут добраться до подводной лодки, лежащей на дне под многометровой толщей соленой воды, из-за сильного поглощения.
При передаче секретных сообщений интерес представляют метеорные линии связи. Ведь, отражаясь от конкретного метеорного следа, как солнечный зайчик от зеркала, волна попадает только в определенную точку, а сама передача информации происходит только во время существования этого метеорного следа.
Для передачи больших потоков информации (ТВ - каналы, сотни и тысячи телефонных, а также каналы передачи информации в цифровом виде) используются системы связи через искусственные спутники Земли, например, «Интелсат» (США), «Молния», «Орбита» (Россия). Широкое распространение в настоящее время получили системы сотовой телефонной связи, когда приемопередающие станции располагаются так, чтобы обеспечить стабильную связь с мобильными приемопередатчиками (сотовыми телефонами) на всей территории обслуживаемого района. Далее эти станции обеспечивают выход на проводную телефонную сеть, междугородную или международную.
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
С помощью радиоволн можно передавать на расстояния не только звук, но и изображение. Без телевизионной связи сейчас трудно представить нашу цивилизацию. Практически в каждом доме имеется телевизор – источник информации. История создания телевизионного вещания началась в Х1Х веке. Само слово телевидение было введено русским инженером-электриком К. Д. Перским на международном конгрессе в 1900 году. Это слово произошло от греческого слова «теле», что означает «далеко», и латинского – «визо», что означает «смотреть». Возможность видеть события, происходящие в разных уголках земного шара и в нашей Солнечной системе, наблюдать за космическими объектами сделала телевидение незаменимым средством информации и культурного общения всех народов мира. Как же начиналось телевидение? В конце Х1Х века телевизионная лихорадка охватила всю планету. В патентные бюро поступили описания более двадцати пяти проектов – прообразов телевизионных систем. Наиболее интересная система механического телевидения была предложена немецким изобретателем Нипковым. Но механические системы были очень громоздкими. А теперешнее, электронное, телевидение родилось 25 июля 1907 года, когда профессор Петербургского университета Борис Львович Розинг подал заявку в патентные ведомства России, Англии и Германии на изобретенный им способ электрического воспроизведения изображения с помощью электронной развертки. 22 мая 1911 года Б. Л. Розинг впервые в мире демонстрирует изображение четырех параллельных линий, полученное с помощью немеханической приемной системы. Принципиальными особенностями по сравнению с радиосвязью являются: преобразование изображения в электрические сигналы и наоборот, преобразование электрических сигналов в видеоизображение. Это происходит в специальных устройствах: в первом случае – в иконоскопе, во втором случае – в кинескопе. В современных системах цветного телевидения это сложные радиоэлектронные устройства.
Иконоскоп устроен так. В вакуумном стеклянном баллоне укрепляется мозаичный экран- слюдяная пластинка, покрытая очень тонким слоем металла. Наружная поверхность этой пластинки представляет собой мозаику из сотен тысяч крошечных зерен серебра, обработанных парами цезия (множество миниатюрных фотоэлементов). С помощью объектива на мозаике фокусируется изображение предмета. Под действием света из фотоэлементов вследствие внешнего фотоэффекта выбиваются электроны, которые летят на заземленный электрод. Чем ярче свет, тем больше вылетает электронов, тем сильнее электрический импульс. Величина импульса, кроме того, зависит и от количества электронов, заполняющих ячейку. Для восполнения числа потерянных электронов служит электронный прожектор , тонкий луч которого с помощью отклоняющей системы обегает построчно всю мозаику и порождает в цепи переменный ток, который затем усиливается. В результате получается точная развернутая во времени электронная копия распределения света и тени на изображении. Этим током в передатчике модулируется электромагнитная волна, которая и излучается в пространство.
Преобразование электромагнитных волн, электрической энергии в световую энергию и, следовательно, в изображение происходит в приемной трубке телевизора - кинескопе.
Кинескоп представляет собой электронно-лучевой прибор для воспроизведения изображения. Черно-белый кинескоп состоит из вакуумного стеклянного баллона, электронного прожектора , создающего пучок электронов, отклоняющей системы и люминесцентного экрана. Отклоняющие системы бывают двух типов: электростатические и магнитные. В современных кинескопах чаще всего встречаются магнитные системы: электронный луч отклоняется под действием магнитного поля. Принятый антенной телевизионный сигнал преобразуется и подается на электрод. Люминофор светится тем сильнее, чем интенсивнее электронный луч, движение которого синхронизировано с движением электронного луча на передающей трубке. Таким образом, на экране кинескопа создается такое же изображение, как и на мозаике иконоскопа. Внимательно всмотритесь в изображение на телевизионном экране: оно состоит из большого количества горизонтальных линий - их называют строками. Каждый кадр содержит ровно 625 строк. За 1/25 долю секунды луч «прорисовывает» на экране 625 строк, затем процесс повторяется. За секунду кадры сменяются 25 раз! Точности ради отметим, что 625 строк луч рисует не подряд, а через строку: нечетные, а затем четные строки. Число строк и количество кадров в течение секунды выбраны не случайно. Здесь учтены два свойства нашего зрения: инерционность и разрешающая способность. Если бы телевизионные кадры сменялись реже 25 раз в секунду, то изображение на сетчатке исчезло бы раньше, чем на экране появлялся бы следующий кадр. Глаз стал бы фиксировать мелькания. Вы, наверное, видели, как смешно движутся люди в старых кинокартинах. Это объясняется тем, что число кадров в секунду в то время было слишком мало – 16 в секунду. При проектировании телевизоров расстояние между строками выбирают таким образом, чтобы сидящий на расстоянии 2 м от экрана человек не видел бы отдельных строк. Поскольку при этом весь кадр виден под углом около 10 0 , т. е. 600", а разрешающая способность глаза составляет 1", то строк должно быть более 600 (а их 625)
ЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ
В вещательном цветном телевидении наиболее распространены так называемые масочные цветные кинескопы, в которых экран образован неразличимыми глазом узкими полосками или точками люминофоров - красного, зеленого и синего свечения. Три электронных прожектора формируют три сходящихся электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. Это обеспечивается пропусканием подходящих к экрану под различными углами пучков через цветоделительную маску со щелевыми или круглыми отверстиями.
Ощущение всей гаммы цветов обеспечивается сложением в глазу излучения трех люминофоров, возбуждаемых в различных пропорциях видеосигналами, и отражающими содержание синей, зеленой и красной составляющих изображения. Электронно-оптическая система цветного кинескопа сводит три пучка в одну точку.
IV. Закрепление изученного материала.
А). Фронтальная беседа.
1. Какое свойство электромагнитных волн используется в радиолокации?
2. Что называется радиолокацией?
3. Волны, какой длины используются радарами?
4. Для каких целей создают остронаправленную волну?
5. Чем отличается кинескоп от иконоскопа?
6. Назовите области применения радиолокации.
7. Как картинку передать на большое расстояние?
8. Как получают изображение на экране кинескопа?
9. Как в иконоскопе получают изображение и затем передают его в виде электромагнитных волн?
10. Зачем и каким образом, волне придают вид луча?
11. Как и с помощью чего радар усиливает принятую отраженную радиоволну?
12. Чем объясняется лучшая слышимость радиостанций зимой?
Б). Решение задач:
1.Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 200 Гц?
2. На каком расстоянии от радиолокатора находится самолет, если отраженный от него сигнал принят через 210 -4 с после посылки этого сигнала?
3.Определить период колебаний в колебательном в колебательном контуре, излучающем электромагнитные волны длиной 450 м.
4. Радиосигнал, посланный на Луну, отразился и был принят на Земле через 2,5с после посылки. Определить расстояние от Земли до Луны.
5. На какой частоте корабли передают сигналы бедствий SOS если по Международному соглашению длина волны равна 600 м?
6. Определить дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду.
7. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300 метров за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2 кГц?
Определите дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду?
Определите период и частоту радиопередатчика, работающего на волне длиной 30 м.
Определите частоту и длину волны радиопередатчика, если период его электрических колебаний 10 -6 с.
Сколько радиостанций может работать без помех в диапазоне длин волн 200-600 м, если каждой станции отводят полосу частот 4 кГц?
VI. Домашнее задание: § 55 - 57.
Радиолокация - это совокупность научных методов и технических средств, служащих для определения координат и характеристик объекта посредством радиоволн. Исследуемый объект часто именуют радиолокационной целью (или просто целью).
Радиотехническое оборудование и средства, предназначенные для выполнения задач радиолокации, получили название радиолокационных систем, или устройств (РЛС или РЛУ). Основы радиолокации базируются на следующих физических явлениях и свойствах:
- В среде распространения радиоволны, встречая объекты с иными электрическими свойствами, рассеиваются на них. Волна, отраженная от цели (или ее собственное излучение), позволяет радиолокационным системам обнаружить и идентифицировать цель.
- На больших расстояниях распространение радиоволн принимается прямолинейным, с постоянной скоростью в известной среде. Это допущение делает возможным до цели и ее угловых координат (с определенной ошибкой).
- На основании эффекта Доплера по частоте принятого отраженного сигнала вычисляют радиальную скорость точки излучения относительно РЛУ.
Историческая справка
На способность радиоволн к отражению указывали великий физик Г. Герц и русский электротехник еще в конце XIX века. Согласно патенту от 1904 года, первый радар создал немецкий инженер К. Хюльмайер. Прибор, названный им телемобилоскопом, использовался на судах, бороздивших Рейн. В связи с развитием применение радиолокации выглядело очень перспективным в качестве элемента Исследования в этой области велись передовыми специалистами многих стран мира.
В 1932 году основной принцип радиолокации описал в своих работах научный сотрудник ЛЭФИ (Ленинградского электрофизического института) Павел Кондратьевич Ощепков. Им же в сотрудничестве с коллегами Б.К. Шембель и В.В. Цимбалиным летом 1934 года был продемонстрирован опытный образец радиолокационной установки, обнаружившей цель на высоте 150 м при удалении 600 м. Дальнейшие работы по совершенствованию средств радиолокации сводились к увеличению дальности их действия и повышению точности определения местоположения цели.
Природа электромагнитного излучения цели позволяет говорить о нескольких видах радиолокации:
- Пассивная радиолокация исследует собственное излучение (тепловое, электромагнитное и т.п.), которое генерирует цели (ракеты, самолеты, космические объекты).
- Активная с активным ответом осуществляется в случае, если объект оборудован собственным передатчиком и взаимодействие с ним происходит по алгоритму "запрос - ответ".
- Активная с пассивным ответом предполагает исследование вторичного (отраженного) радиосигнала. в этом случае состоит из передатчика и приемника.
- Полуактивная радиолокация - это частный случай активной, в случае когда приемник отраженного излучения расположен вне РЛС (например, является конструктивным элементом самонаводящейся ракеты).
Каждому виду свойственны свои достоинства и недостатки.
Методы и оборудование
Все средства радиолокации по используемому методу разделяют на РЛС непрерывного и импульсного излучения.
Первые содержат в своем составе передатчик и приемник излучения, действующие одновременно и непрерывно. По этому принципу были созданы первые радиолокационные устройства. Примером такой системы могут служить радиоальтиметр (авиационный прибор, определяющий удаление летательного аппарата от поверхности земли) или известный всем автолюбителям радар для определения скоростного режима транспортного средства.
При импульсном методе электромагнитная энергия излучается короткими импульсами в течение нескольких микросекунд. После станция ведет работу только на прием. После улавливания и регистрации отраженных радиоволн РЛС передает новый импульс и циклы повторяются.
Режимы работы РЛС
Существует два основных режима функционирования радиолокационных станций и устройств. Первый - сканирование пространства. Он осуществляется по строго заданной системе. При последовательном обзоре перемещение луча радара может носить круговой, спиральный, конический, секторный характер. Например, решетка антенны может медленно поворачиваться по кругу (по азимуту), одновременно сканируя по углу места (наклоняясь вверх и вниз). При параллельном сканировании обзор осуществляется пучком радиолокационных лучей. Каждому соответствует свой приемник, ведется обработка сразу нескольких информационных потоков.
Режим слежения подразумевает постоянную направленность антенны на выбранный объект. Для ее поворота, согласно с траекторией движущейся цели, используются специальные автоматизированные следящие системы.
Алгоритм определения дальности и направления
Скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере составляет 300 тыс. км/с. Поэтому, зная время, затраченное транслируемым сигналом на преодоление расстояния от станции до цели и обратно, легко вычислить удаленность объекта. Для этого необходимо точно зафиксировать время отправки импульса и момент принятия отраженного сигнала.
Для получения информации о местонахождении цели используется остронаправленная радиолокация. Определение азимута и элевации (угла места или возвышения) объекта производится антенной с узким лучом. Современные РЛС используют для этого фазированные антенные решетки (ФАР), способные задавать более узкий луч и отличающиеся высокой скоростью вращения. Как правило, процесс сканирования пространства совершается минимум двумя лучами.
Основные параметры систем
От тактических и технических характеристик оборудования во многом зависит эффективность и качество решаемых задач.
К тактическим показателям РЛС причисляют:
- Зону обзора, ограниченную минимальной и максимальной дальностью обнаружения цели, допустимым азимутальным углом и углом возвышения.
- Разрешающую способность по дальности, азимуту, элевации и скорости (возможность определять параметры рядом расположенных целей).
- Точность измерений, которая измеряется наличием грубых, систематических или случайных ошибок.
- Помехозащищенность и надежность.
- Степень автоматизации извлечения и обработки поступающего потока информационных данных.
Заданные тактические характеристики закладываются при проектировании устройств посредством определенных технических параметров, среди которых:
На боевом посту
Радиолокация - это универсальный инструмент, получивший широкое распространение в военной сфере, науке и народном хозяйстве. Области использования неуклонно расширяются благодаря развитию и совершенствованию технических средств и технологий измерений.
Применение радиолокации в военной отрасли позволяет решить важные задачи обзора и контроля пространства, обнаружения воздушных, наземных и водных мобильных целей. Без радаров невозможно представить оборудование, служащее для информационного обеспечения навигационных систем и систем управления орудийным огнем.
Военная радиолокация является базовой составляющей стратегической системы предупреждения о ракетном нападении и комплексной противоракетной обороны.
Радиоастрономия
Посланные с поверхности земли радиоволны также отражаются от объектов в ближнем и дальнем космосе, как и от околоземных целей. Многие космические объекты невозможно было полноценно исследовать лишь с использованием оптических инструментов, и только применение радиолокационных методов в астрономии позволило получить богатую информацию об их природе и структуре. Впервые пассивная радиолокация для исследования Луны была применена американскими и венгерскими астрономами в 1946 году. Примерно в то же время были случайно приняты и радиосигналы из космического пространства.
У современных радиотелескопов приемная антенна имеет форму большой вогнутой сферической чаши (подобно зеркалу оптического рефлектора). Чем больше ее диаметр, тем более слабый сигнал антенна сможет принять. Часто радиотелескопы работают комплексно, объединяя не только устройства, расположенные недалеко друг от друга, но и находящиеся на разных континентах. Среди важнейших задач современной радиоастрономии - изучение пульсаров и галактик с активными ядрами, исследование межзвездной среды.
Гражданское применение
В сельском и лесном хозяйстве радиолокационные устройства незаменимы при получении информации о распределении и плотности растительных массивов, изучении структуры, параметров и видов почв, своевременном обнаружении очагов возгораний. В географии и геологии радиолокация используется для выполнения топографических и геоморфологических работ, определения структуры и состава пород, поиска месторождений полезных ископаемых. В гидрологии и океанографии радиолокационными методами осуществляется контроль состояния главных водных артерий страны, снегового и ледяного покрова, картографирование береговой линии.
Радиолокация - это незаменимый помощник метеорологов. РЛС легко выяснит состояние атмосферы на удалении десятков километров, а по анализу полученных данных составляется прогноз изменения погодных условий в той или иной местности.
Перспективы развития
Для современной радиолокационной станции главным оценочным критерием выступает соотношение эффективности и качества. Под эффективностью понимаются обобщенные тактико-технические характеристики оборудования. Создание совершенной РЛС - сложная инженерная и научно-техническая задача, осуществление которой возможно только с использованием новейших достижений электромеханики и электроники, информатики и вычислительной техники, энергетики.
По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем главными функциональными узлами станций самого разного уровня сложности и назначения будут твердотельные активные ФАР (фазированные антенные решетки), преобразующие аналоговые сигналы в цифровые. Развитие вычислительного комплекса позволит полностью автоматизировать управление и основные функции РЛС, предоставив конечному потребителю всесторонний анализ полученной информации.
Радиолокация (слайд 3 )– область радиотехники, задачей которой является обнаружение и распознавание различных объектов в пространстве и определение их координат и параметров движения с помощью радиоволн.
Радиолокационная цель – объект радиолокации, то есть материальный объект, сведения о котором представляют практический интерес.
Радиолокационные цели могут быть:
аэродинамические (самолеты, вертолеты, ракеты, аэростаты, воздушные шары);
баллистические или космические (ИСЗ, боеголовки баллистических ракет, космические корабли);
наземные и надводные (танки, корабли).
Радиолокационная информация (РЛИ) (слайд 4 ) – совокупность сведений о целях, полученных средствами радиолокации.
Радиолокационная станция (РЛС) – совокупность технических средств, используемых для получения радиолокационной информации.
Одиночные РЛС обладают ограниченными возможностями по ряду основных показателей выдаваемой ими информации (размерам зоны обзора, составу и точности информации). Для полного удовлетворения требований к качеству радиолокационного обеспечения целесообразно техническое или тактическое объединение нескольких РЛС в радиолокационные комплексы.
Радиолокационный комплекс (РЛК) – совокупность функционально связанных технических средств, устройств, отдельных станций, обеспечивающих получение полного состава радиолокационной информации заданного качества.
Второй учебный вопрос.
Краткая история развития
Одна из важнейших задач радиолокации – применение ее в военной технике с целью обнаружения самолетов, баллистических ракет, космических объектов противника, а также наземных подвижных объектов.
Радиолокация – отличное средство для исследований земной атмосферы и ионосферы, а также для изучения метеоров. Она стала незаменимым помощником метеорологов при определении скорости и направления воздушных течений на различных высотах, а также при наблюдении за облаками, грозовыми фронтами и тайфунами.
Радиолокация широко применяется для астрономических наблюдений соседних космических тел солнечной системы: Луны, Солнца, Венеры, Марса и Юпитера; в гляциологии при определении толщины льда, например, при движении ледоколов; в геологии, геофизике при определении подземных неоднородностей полезных ископаемых, в жилищно-коммунальном хозяйстве для определения подземных коммуникаций и т. д.
Начало развития радиолокации относится к30-м года прошлого столетия, но широкое применение она получила только в годы Великой Отечественной войны. Явление отражения радиоволн от препятствий было открыто А.С.Поповым в 1897 году. Во время экспериментов по радиосвязи между кораблями Попов А.С. обнаружил нарушение связи, когда между этими кораблями проходил третий, от которого радиоволны отражались. А.С.Попов указал, что это явление можно использовать для определения местоположения объектов, радионавигации и радиопеленгации.
Однако состояние радиотехники того времени не позволяло использовать указанное явление в практических целях. Сложность радиолокационной техники требовала предварительной всесторонней и глубокой разработки многочисленных научных и технических проблем радиотехники и в первую очередь решения следующих задач:
Направленного излучения и приема радиоволн.
Создания приборов для измерения времени прохождения радиоволн.
Получение мощных колебаний в диапазоне УКВ.
Развитие радиолокационной техники стало возможным только на базе накопившихся в течение четырех десятилетий, со времени открытия А.С.Попова, теоретических и экспериментальных знаний по радиофизике, радиотехнике, электронике и автоматике.
Работы над созданием радиолокационных станций непрерывного излучения начались в СССР в 1933 году под руководством Ю.К.Коровина, П.К.Ощепкова, Б.К.Шембеля и др. В 1938 году промышленность освоила выпуск радиолокаторов «Ревень» с непрерывным методом излучения, а в 1939 году эта РЛС под названием «РУС-1» (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение частей ВНОС ПВО. Она позволяла предупредить войска о появлении самолетов на 80-100 километровом участке фронта.
С 1934 года в СССР широко развернулись работы по созданию импульсных РЛС. Ученые Ю.Б.Кобзарев, П.А.Погорелко и Н.Я.Чергнцов в 1935 году разработали импульсную РЛС с электронно-лучевым индикатором и «за изобретение прибора для обнаружения самолетов» были удостоены Государственной премии.
В 1939 году производились испытания РЛС «Редут», а в 1941 году «Редут» под названием «РУС-2» (автомобильный вариант) и «Пегматит П-1» (стационарный вариант) была принята на вооружение. Эта станция обнаружения имела дальность действия 100-120 км при высоте полета цели 7000 м.
Эти и ряд других работ позволили создать промышленные образцы радиолокаторов, успешно применявшихся во время Великой Отечественной войны.
Для преподавателя. К середине 1941 года в войсках в Московской и Северных зонах ПВО было развернуто 25-30 РЛС «РУС-2» и 45 комплексов «РУС-1» в Закавказье и на Дальнем Востоке.
В трудные годы войны советские ученые, инженеры-конструкторы разработали и наладили серийный выпуск РЛС различного тактического назначения, что позволило значительно повысить боевые возможности войск (РЛС П-2, П-2М, П-3, П-3А и др.).
После войны развитие радиолокации не только не приостановилось, но и продолжалось в широких масштабах. Это объясняется тем, что радиолокация оказалась грозным оружием и нашла широкое применение ив других родах войск и в народном хозяйстве.
Увеличение скорости, высоты и дальности полета современных летательных аппаратов выдвинуло вопрос о создании РЛС с большой дальностью действия (сотни и тысячи километров), объединения этих станций в комплекс совместно действующих устройств и соединения этого комплекса с системами скоростной обработки данных (ЭВМ) и автоматического управления противовоздушными оборонительными средствами с целью защиты государственных границ и важных промышленных и военных объектов.
В настоящее время развитие радиолокационной техники осуществляется по следующим направлениям:
увеличения дальности действия РЛС;
улучшения качества информации о наблюдаемых объектах;
повышения помехозащищенности, надежности и живучести;
автоматизации процессов управления, обработки и передачи радиолокационной информации.
Такова краткая история развития радиолокации в СССР.
Третий учебный вопрос.
Основные принципы радиолокации
Основной задачей радиолокатора является обнаружение летательного аппарата и определение его местоположения.
Местоположение летательного аппарата относительно РЛС определяется тремя пространственными координатами (рис. 1.1, слайд 5 ):
- наклонной дальностью Д – расстояние от РЛС до объекта по прямой;
- азимутом – угол в горизонтальной плоскости между направлением на истинный Север и проекцией наклонной дальности;
-углом места – угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей точку стояния РЛС и цель (Ц), и проекцией этой прямой на горизонтальную плоскость.
Часто третьей координатой вместо угла места служит высота цели (Н), определяемая соотношением
Н = Д sin
Решение основной задачи радиолокатора основано на использовании трех принципов радиолокации. (слайд 6 )
Первый принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны способны отражаться от неоднородностей, встречающихся на пути их распространения («вторичное излучение»).
Второй принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны с помощью антенн РЛС можно сконцентрировать в узкий луч.
Третий принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны распространяются в пространстве прямолинейно и с постоянной скоростью (с = 3 10 8 м\с).
Радиоволны, посланные в пространство, распространяются в нём со скоростью света. Но как только они встречают на своём пути какой-нибудь объект, например, самолёт или корабль, они отражаются от него и возвращаются обратно. Следовательно, с их помощью можно обнаруживать различные удалённые объекты, наблюдать за ними и определять их координаты и параметры.
Обнаружение местоположения объектов с помощью радиоволн называют радиолокацией .
Как появилась радиолокация
Александр Степанович Попов
В 1897 г. во время опытных сеансов радиосвязи между морским транспортом «Европа» и крейсером «Африка», проводимых русским физиком Александром Степановичем Поповым , обнаружили интересное явление. Оказалось, что правильность распространения электромагнитной волны искажали все металлические предметы – мачты, трубы, снасти как на корабле, с которого сигнал отправлялся, так и на корабле, где его принимали. Когда же между этими кораблями появился крейсер «Лейтенант Ильин», радиосвязь между ними нарушилась. Так было открыто явление отражения радиоволн от корпуса корабля.
Но если радиоволны способны отражаться от корабля, то с их помощью корабли можно и обнаруживать. А заодно и другие цели.
И уже в 1904 г. немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер подал заявку на первый радиолокатор, а в 1905 г. получил патент на использование эффекта отражения радиоволн для поиска кораблей. А ещё через год, в 1906 г., он предложил использовать этот эффект, чтобы определять расстояние до объекта, отражающего радиоволны.
Кристиан Хюльсмайер
В 1934 г. шотландский физик Роберт Александр Уотсон-Уотт получил патент на изобретение системы для обнаружения воздушных объектов и уже в следующем году продемонстрировал одно из первых таких устройств.
Роберт Александр Уотсон-Уотт
Как работает радиолокатор
Определение местонахождения чего-либо называют локацией . Для этого в технике применяют устройство, называемое локатором . Локатор излучает какой-либо вид энергии, например, звук или оптический сигнал, в сторону предполагаемого объекта, а затем принимает отражённый от него сигнал. Радиолокатор использует для этой цели радиоволны.
На самом деле радиолокатор, или радиолокационная станция (РЛС), - сложная система. Конструкции различных радиолокаторов могут различаться, но принцип их работы одинаков. Радиопередатчик посылает в пространство радиоволны. Достигнув цели, они отражаются от неё, как от зеркала, и возвращаются назад. Такая радиолокация называется активной.
Основные узлы радиолокатора (РЛС) – передатчик, антенна, антенный переключатель, приёмник, индикатор.
По способу излучения радиоволн РЛС делятся на импульсные и непрерывного действия.
Как работает импульсная радиолокационная станция?
Передатчик радиоволн включается на короткое время, поэтому радиоволны излучаются импульсами. Они поступают в антенну, которая располагается в фокусе зеркала параболоидной формы. Это нужно для того, чтобы радиоволны распространялись в определённом направлении. Работа радиолокатора похожа на работу светового прожектора, лучи которого подобным образом направляются в небо и, освещая его, ищут нужный объект. Но работа прожектора этим и ограничивается. А радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает сигнал, отражённый от найденного объекта (радиоэхо). Эту функцию выполняет приёмник.
Антенна импульсного радиолокатора работает то на передачу, то на приём. Для этого в ней есть переключатель. Как только радиосигнал послан, отключается передатчик и включается приёмник. Наступает пауза, во время которой радиолокатор как бы «слушает» эфир и ждёт радиоэхо. И как только антенна улавливает отражённый сигнал, тут же отключается приёмник и включается передатчик. И так далее. Причём время паузы может во много раз превышать длительность импульса. Таким образом излучаемый и принимаемый сигнал разделяются во времени.
Принятый радиосигнал усиливается и обрабатывается. На индикаторе, который в простейшем случае представляет собой дисплей, отображается обработанная информация, например, размеры объекта или расстояние до него, или сама цель и окружающая её обстановка.
Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света. Поэтому, зная время t от излучения импульса радиосигнала до его возвращения, можно определить расстояние до объекта.
R = cˑ t/2 ,
где с – скорость света.
Радиолокатор непрерывного действия высокочастотные радиоволны излучает непрерывно. Поэтому антенной улавливается также непрерывный отражённый сигнал. В своей работе такие РЛС используют эффект Доплера . Суть этого эффекта в том, что частота сигнала, отражённого от объекта, движущегося по направлению к радиолокатору, выше частоты сигнала, отражённого от объекта, удаляющегося от него, несмотря на то, что частота излучаемого сигнала постоянна. Поэтому такие РЛС используют для определения параметров движущегося объекта. Пример радиолокатора, в основе работы которого лежит эффект Доплера – радар, используемый сотрудниками ГИБДД для определения скорости движущегося автомобиля.
В поисках объекта направленный луч антенны РЛС сканирует пространство, описывая полный круг, либо выбирая определённый сектор. Он может быть направлен по винтовой линии, по спирали. Обзор также может быть коническим или линейным. Всё зависит от задачи, которую он должен выполнить.
Если необходимо постоянно следить за выбранной движущейся целью, антенна радиолокатора всё время направлена на неё и поворачивается вслед за ней с помощью специальных следящих систем.
Применение радиолокаторов
Впервые радиолокационные станции начали применяться во время Второй мировой войны для обнаружения военных самолётов, кораблей и подводных лодок.
Так в конце декабря 1943 г. радиолокаторы, установленные на английских кораблях, помогли обнаружить фашистский линкор, вышедший ночью из порта Альтенфиорд в Норвегии, чтобы перехватить военные суда. Огонь по линкору вёлся очень точно, и вскоре он пошёл ко дну.
Первые РЛС были не очень совершенными, в отличие от современных, надёжно защищающих воздушное пространство от воздушных налётов и ракетного нападения, распознающих практически любые военные объекты на суше и на море. Радиолокационное наведение применяется в самонаводящихся ракетах для распознавания местности. РЛС осуществляют слежение за полётами межконтинентальных ракет.
РЛС нашли своё применение и в мирной жизни. Без них не могут обходиться лоцманы, проводящие корабли через узкие проливы, диспетчеры в аэропортах, руководящие полётами гражданских самолётов. Они незаменимы при плавании в условиях ограниченной видимости – ночью или при плохой погоде. С их помощью определяют рельеф дна морей и океанов, исследуют загрязнения их поверхностей. Их используют метеорологи для определения грозовых фронтов, измерения скорости ветра и облаков. На рыболовных судах радиолокаторы помогают обнаруживать косяки рыбы.
Очень часто радиолокаторы, или радиолокационные станции (РЛС), называют радарами . И хоть сейчас это слово стало самостоятельным, на самом деле это аббревиатура, возникшая из английских слов «radio detection and ranging » , что означает «радиообнаружение и дальнометрия» и отражает суть радиолокации.
Физической основой радиолокации является рассеяние радиоволн объектами, отличающимися своими электрическими характеристиками (электрической проницаемостью диэлектрической проницаемостью и электропроводностью а) от соответствующих характеристик окружающей среды при их облучении.
Интенсивность рассеяния или отражения радиоволн (интенсивность вторичного поля) зависит от степени отличия электрических характеристик объекта и среды, от формы объекта, от соотношения его размеров I и длины волны А. и от поляризации радиоволн. Результирующее вторичное электромагнитное поле состоит из поля отражения, распространяющегося в сторону облучающего первичного поля, и теневого поля, распространяющегося за объект (в ту же сторону, что и первичное поле).
С помощью приемной антенны и приемного устройства можно принять часть рассеянного сигнала, преобразовать и усилить его для последующего обнаружения. Таким образом, простейшая РЛС может состоять из передатчика, формирующего и генерирующего радиосигналы, передающей антенны, излучающей эти радиосигналы, приемной антенны, принимающей отраженные сигналы, радиоприемника, усиливающего и преобразующего сигналы и, наконец, выходного устройства, обнаруживающего отраженные сигналы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Принцип действия простейшей РЛС
Как правило, амплитуда (или мощность) принимаемого сигнала мала, а сам сигнал имеет случайный характер. Малая мощность сигнала объясняется большим расстоянием до объекта (цели) и поглощением энергии сигнала при его распространении. Кроме того, на интенсивность отраженного сигнала существенно влияют размеры целей. Случайный характер сигнала является следствием флуктуации отраженного сигнала за счет: случайного перемещения элементов цели сложной формы при отражении радиоволн; многолучевого распространения радиоволн; хаотических изменений амплитуды сигнала при распространении и ряда других факторов. В результате принимаемый сигнал по виду, интенсивности и характеру изменения похож в приемном тракте на шумы и помехи. Поэтому первой и основной задачей РЛС является обнаружение полезного радиосигнала, т.е. вынесение решения о присутствии полезного сигнала в поступающей на вход приемного тракта смеси полезного сигнала с помехами, называемой входной реализацией. Эта статистическая задача решается входящим в РЛУ специальным устройством - обнаружителем, в котором стараются использовать алгоритм оптимального (наилучшего) обнаружения. Качество процесса обнаружения характеризуют вероятностью правильного обнаружения когда присутствующий во входной реализации сигнал обнаруживается, и вероятностью ложной тревоги когда за полезный сигнал принимается помеха, а сам сигнал отсутствует. Обнаружитель тем лучше, чем больше и меньше
Большинство параметров принимаемого сигнала априори неизвестны, поэтому при обнаружении приходится осуществлять поиск нужного параметра радиосигнала, отличающего его от сопутствующих шумов и помех.
Построение РЛС на базе современных технологий обработки информации заключается в использовании в качестве антенн фазированной антенной решетки (ФАР), в качестве генератора пусковых импульсов синтезатора частоты - синхронизатора, в качестве выходного устройства - цифрового процессора. Передатчик в зависимости от того, какая антенна используется в РЛС, может быть реализован в модульном варианте и встроен в активную ФАР, либо в виде модулятора и однокаскадного или многокаскадного генератора радиочастоты для пассивной ФАР или зеркальной антенны. Таким образом, перспективная РЛС (рис. 1.2) состоит из ФАР,
Рис. 1.2. Построение современной импульсной
синтезатора-синхронизатора, аналогового процессора (приемника), цифрового процессора и устройства отображения информации.
Антенна по сигналам от ЭЦВМ осуществляет формирование лучей и их перемещение для обзора пространства. Радиопередатчик формирует зондирующие сигналы, которые излучаются антенной. Радиоприемник усиливает слабые отраженные целью и принятые антенной сигналы. Поскольку эти сигналы приходят в смеси с шумами и помехами, то их выделение осуществляется с помощью согласованных фильтров сосредоточенной селекции и цифровых фильтров. Обычно процессор сигналов (приемник) выдает электрические сигналы в цифровом коде. Дальнейшая обработка сигналов выполняется в процессоре данных по заложенным в него программам алгоритмов обработки. Рабочие частоты и временные интервалы в РЛС задаются с помощью синтезатора-синхронизатора. Устройство отображения информации выполняется обычно на индикаторе с электроннолучевой трубкой или на дисплее процессора.
Количество одновременно обнаруживаемых и сопровождаемых целей определяется быстродействием систем обработки информации - выходного устройства, в качестве которого обычно используется цифровой процессор. На рис. 1.3 изображен диспетчерский пункт регулирования воздушного движения в зоне аэропорта.
Рис. 1.3. Диспетчерский путсг УВД
Типичное изображение на экране индикатора кругового обзора (ИКО) РЛС УВД показано на рис. 1.4, а. Здесь можно различить светящиеся радиальные и круговые метки. В центре экрана «находится» РЛС. Яркие точки - отметки целей. По радиусу можно отсчитать дальность, а по углу поворота радиуса, проходящего через отметку цели, относительно вертикали, проходящей через центр экрана, можно измерить пеленг цели. К каждой отметке на экране «прикреплен» формуляр, который содержит необходимую информацию о бортовом номере, высоте, дальности и азимуте самолета (рис. 1.4, б). На рис. 1.4 для лучшей различимости проведено инвертирование изображения.
Рис. 1.4. Вид экрана РЛС управления воздушным движением: а - общий вид экрана; б - укрупненное изображение фрагмента экрана с формуляром
