Радиолокация. 
Введение в радиоэлектронику

Радиолокация — область науки и техники связанная с обнаружением и измерением координат объекта, основанная на приёме отраженных радиоволн. Она возникла в 30-х годах XX века. Её методы позволяют определять местоположение удалённых объектов, их скорость и, в некоторых случаях, опознавать его по отраженному сигналу. Уже давно успешно развивается радиолокация планет. Радиолокация является сегодня важным разделом современной радиоэлектроники.

В радиолокации, как правило, используются волны диапазона УКВ (от метровых до миллиметровых). Метровые волны применяются, главным образом, для измерения больших расстояний, миллиметровые — для точного определения малых расстояний и обнаружения небольших объектов (в радиовысотомерах, в устройствах стыковки космических кораблей и т. п.), а в последнее время и для получения радиоизображения объектов. Совместно с системами автоматики радиолокаторы используются для управления движением различных объектов.

В вопросе о приоритет создания радиолокатора не меньше путаницы, чем в вопросе об авторе изобретения телефона или радио.

Осенью 1922 года А. Тейлор^[1] и Л. Янг^[2], проводили опыты по радиосвязи с самолетом. Они обратили внимание на то, что в результате интерференции волн корабль, движущегося по реке, вызывает замирания принятого сигнала. Таким образом, можно считать, что они продемонстрировали радиообнаружитель. Часто исследования этого эффекта выдают за разработку первой в мире истинно радиолокационной системы. Однако речь об определение направления на цель и расстояния (локации) до нее тогда не велась. Известно, что ещё 1897 г. во время опытов по радиосвязи в Балтийском море А. С. Попов пришел к заключению о возможности с помощью радиоволн обнаруживать металлические массы. К тому же в 1905 г. первый патент на радиолокационное устройство был выдан К. Хюльсмайеру^[3][4].

В Советском Союзе понимание потребности в средствах обнаружения самолетов, свободных от недостатков звукового и оптического наблюдения, привело к началу исследований в области радиолокации. Идея, предложенная и опубликованная в 1934 г. молодым артиллеристом П. К. Ощепковым^[5], получила одобрение высшего командования Красной Армии.

В 1932 году на базе Государственного физико-технического института был создан Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ), в котором проводились исследовательские и опытно-конструкторские работы по радиолокации.

На начальном этапе развития радиолокации разработчики всего мира использовали в РЛС непрерывное излучение. Структура и принцип работы таких РЛС мало чем отличается от того, что обсуждалось в раздел 5.3 и изображено на рис. 5.9. В те времена такие РЛС не могли определять расстояние до цели и поэтому их называли радиоулавливателями (на манер звукоулавливателя), радиоискателями или радиобнаружителями.

В СССР 3 января 1934 г. был проведен успешный опыт по обнаружению сигналов от гидросамолета, при его движении на расстоянии 600−700 метров от аппаратуры, приёмник которой фиксировал доплеровский сдвиг частоты.

На рис. 9.8 показан прототип и опытный макет созданного в ЛЭФИ двухантенного зенитного радиоискателя «Буря».

Рис. 9.8. Прототип зенитной РЛС:

а — макет антенной системы, б — макет станции, установленный на шасси

В 1936 г. советская сантиметровая РЛС «Буря» обнаружила самолёт с расстояния 10 километров.

В 1938 г. в Московском энергетическом институте (ныне НИУ «МЭИ») был организован Радиотехнический факультет, основной целью которого была подготовка специалистов, в частности, для освоения и разработки аппаратуры и систем радиолокации.

При создании РЛС непрерывного излучения возникал ряд технических проблем, решение которых требовало высокого инженерного мастерства и усложняло аппаратуру. Некоторые из этих проблем вообще не возможно было решить в те годы. В результате технические характеристики РЛС не удовлетворяли заказчиков. Поэтому уже в середине 30-х годов XX в. наметился переход на импульсный режим работы РЛС. Конечно, и здесь возникали технические трудности, однако, в конце концов, их удалось преодолеть. В результате РЛС стали строить почти исключительно с использованием импульсного режима. За РЛС непрерывного действия осталось обнаружение целей на малых высотах, так как наблюдать за самолетом с помощью импульсных установок в те годы было невозможно из-за засветки электронно-лучевой трубки индикатора отражениями от местных предметов.

Передатчик импульсной РЛС излучает короткие радиоимпульсы, которые достигают объекта, отражаются от него и принимаются радиоприёмником. Скорость распространения радиоволн известна с высокой точностью (см. раздел.5.1). Это позволяет вычислить дальность /9 по известной задержке принятого сигнала Т следящим образом.

Задержке сигнала на 1 мкс соответствует дальность до цели, равная 150 м. Структурная схема простейшей импульсной радиолокационной станции показана на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Структурная схема простейшей радиолокационной станции для определения расстояния до объекта.

Первоначально передача и приём сигналов велись на разные антенны. Однако вскоре перешли на использование единственной антенны. В структурной схеме на рис. 9.9 это становится возможным благодаря использованию антенного переключателя.

Одно из первых устройств, предназначенных для радиолокации воздушных объектов, продемонстрировал 26 февраля 1935 года Р. Уотсон-Уатт^[6]. Во второй половине 1930;х гг. в Великобритании первые радиолокационный станции (РЛС, радары, радиолокаторы) появились на кораблях.

В США первый контракт военных с промышленностью на разработку РЛС был заключён только в 1939 году. После появления в 1940 г. мощного импульсного магнетрона — генератора коротких радиоимпульсов сантиметрового диапазона, начиная с 1941 года, американские и британские самолёты уже оснащались РЛС.

На рис 9.10 и 9.11 показаны образцы отечественных импульсных зенитных РЛС с раздельными антеннами. РЛС «Редут» состояла из двух подвижных станции — передающей и приёмной. Её успешные испытания прошли в 1934 году.

Рис. 9.10. РЛС «Редут» для обнаружения самолетов, принятая на вооружение в 1940 году:

а — передающая часть, 6 — приёмная Зенитная станция радиообнаружения «Рубин», обладавшая повышенной точность определения координат, была разработана в 1940 году. Её серийное производство не было начато из-за войны.

Рис. 9.11. Зенитная РЛС «Рубин» (1940)

В послевоенное время радиолокация успешно развивалась. В результате РЛС стали составной частью широкого класса АСУ. На рис. 9.12 показана современная российская мобильная трёхкоординатная (азимут, дальность, высота) РЛС дециметрового диапазона волн с цифровой ФАР.

Рис. 9.12. Современная мобильная РЛС на международном салоне МАКС-2007

Интенсивность, отраженного радиосигнала зависит от свойств отражающей поверхности. Это позволяет строить растровое изображение примерно так, как это делается в телевидении (см. рис. 9.13). Подобным образом в 1983 г. под руководством В. А. Котельникова была проведена радиолокационная съемка поверхности Венеры.

Рис. 9.13. Радиолокационное изображение горной прибрежной местности и береговой линии

Радиолокация стимулировала быстрое развитие всех элементов, необходимых для генерации, излучения и приёма метровых и миллиметровых волн. Появились остронаправленные антенны, в том числе многоэлементные, снабженные специальными отражателями или представляющие собой параболоиды, достигающие в диаметре нескольких десятков метров.

Некоторые из современных РЛС поражают своей грандиозностью. На рис. 9.14 показана станция дальнего обнаружения баллистических ракет и космических объектов.

Рис. 9.14. Современная РЛС дальнего обнаружения на основе ФАР

Для РЛС были разработаны специальные радиолампы, а также электронные приборы, основанные на новых физических принципах: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и лампы обратной волны. Об этих приборах вы узнаете при изучении специальных дисциплин.

Создание РЛС, следящих за объектом, потребовало создания новых электромеханических узлов, а также систем автоматического управления ими. Именно для целей радиолокации в СССР создавались первые ЭВМ.

Потребности радиолокации стимулировали развитие квантовой и криогенной электроники. Появились более совершенные электроннолучевые приборы, в том числе снабженные многоцветными экранами, что способствовало появлению цветного телевидения.

Роль радиолокации в научно-техническом и промышленном развитии мира трудно переоценить. Радиолокация, возникнув в недрах военной промышленности, теперь выполняет самые разнообразные задачи, позволяя, например, автоматически управлять движением самолетов в воздухе и кораблей в бескрайних просторах океана, обнаруживать полезные ископаемые в недрах земли и рыбу в глубинах морей, контролировать движение автотранспорта на дорогах и межпланетных кораблей на космических трассах.

• [1] Альбер Тейлор (англ. Albert Hoyt Taylor, 1879−1961) — американский радиоинженер. Внес значительный вклад в развитие радиолокации в США.
• [2] Лео Янг (англ. Leo Crawford Young, 1891−1981) — американский радиоинженер. Был членом небольшого творческого коллектива, которому в США обычноприписывают разработку первого в мире радиолокационной системы.
• [3] 1 Кристиан Хюльсмайер (Christian Hulsmeyer, 1881−1957) — немецкий физик, изобретатели и предприниматель. Нго имя связывает с появление радиолокации, хотя его устройство («тслсмобилескоп») обнаруживало только движение удаленного объекта.
• [4] Павел Кондрагьевнч Ошейков (1908;1992) — советский учёный, В 1931 г.
• [5] окончил Московские энергетический институт. Заслуженный деятель науки итехники РСФСР. Основатель отечественной радиолокации и интроскопии.
• [6] Роберт Александр Уотсон-Уатт (англ. Sir Robert Alexander Watson-Watt1892−1973) — шотландский физик (прямой потомок Джемса Уатта); сконструировал одно из первых устройств, предназначенных для радиолокации летящихобъектов, и получил первый патент на подобную систему (1934).