Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Оценим, например, какова доплеровская частота для автомашины, скорость которой определяется инспектором ГАИ с помощью только что описанного устройства. Частота fo в этих локаторах лежит в диапазоне 10 ГГц, что соответствует длине волны 3 см, а скорость автомашины положим равной 30 м/с. Попутно заметим, что здесь имеет место явное нарушение правил движения, поскольку максимальная скорость на автодорогах установлена равной 90 км/ч, а 30 м/с соответствует 108 км/ч:
В этом случае на выходе локатора получается хорошо слышимый тон звуковой частоты. С помощью частотомера, установленного на выходе усилителя биений, можно достаточно точно определять радиальную скорость цели. Доплеровский метод измерения скорости используют и в самых современных радарах. Частотомер в этом случае вырабатывает цифровой код, который с помощью формирователя буквенно-цифровой информации выводится на основной экран РЛС. Рядом с отметкой цели оператор РЛС видит и цифру, соответствующую се скорости, выраженной в узлах, километрах в час или метрах в секунду.
Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т. е. ввести в генератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить дальность. Именно так и случилось в первом опыте Б. К. Шембеля при локации Крымских гор. Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала также будет изменяться, но с запаздыванием на время τ распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика в какой-то момент t1, равна f1, то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t1 + τ успеет измениться до значения f1 + Δf, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Δf. Она тем выше, чем больше расстояние до цели.
Закон изменения частоты сигналов в ЧМ локаторе.
Частотно-модулированные локаторы создавались неоднократно для работы с одиночными целями. Например, на самолетах Гражданской авиации многие годы применялся радиовысотомер РВ-2, построенный именно на этом принципе. Частотно-модулированные локаторы разрабатывались и для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, причем они обеспечивали очень хорошую точность определения дистанции.
Наибольшее распространение получил импульсный способ определения дальности. На рисунке показана структурная схема импульсного локатора.
Структурная схема импульсной РЛС.
Его работой управляет генератор импульсов (ГИ), следующих с относительно невысокой частотой повторения порядка сотен импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на генератор высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающий очень мощные короткие импульсы высокочастотных (ВЧ) колебаний. Например, если мощность ВЧ колебаний составляет 100 кВт, а длительность импульса 1 мкс, при частоте повторения 100 Гц средняя мощность ГВЧ составит всего 10 Вт, т. е. меньше, чем мощность обычной настольной лампы. Поэтому даже мощный импульсный генератор оказывается достаточно компактным и не перегревается при длительной работе. Через антенный переключатель (AП) ВЧ импульс поступает в антенну и излучается. После излучения импульса антенна подключается ко входу приемника (Пр). Разумеется, механический переключатель антенны непригоден: он не может обладать необходимым быстродействием. В первых одноантенных импульсных РЛС использовались газовые разрядники, по конструкции напоминавшие неоновую лампу, только они были рассчитаны на более высокую мощность. Установленный на входе приемника разрядник вспыхивал под действием мощного излучаемого импульса и замыкал вход приемника, «спасая» его от излишней ВЧ энергии. После излучения импульса разрядник погасал и не мешал отраженным сигналам поступать в приемник. В современных РЛС кроме газовых разрядников используют и полупроводниковые переключатели, выполненные на диодах.
Одновременно с излучением импульса запускается генератор развертки (ГР), вырабатывающий линейно нарастающее пилообразное напряжение. Оно поступает на пластины горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки, экран которой и является широко известным по фильмам и книгам экраном РЛС. В результате луч перемещается слева направо, формируя линию развертки. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается на пластины вертикального отклонения. Что же мы видим на экране? Прежде всего в самом начале линии развертки появится мощный импульс, все-таки «просочившийся» в приемник через разрядники антенного переключателя. Он будет служить началом шкалы дальности. Спустя некоторое время, нужное для распространения волн, придут сигналы от целей. Луч к этому времени переместится правее. Чем дальше цель, тем дальше от начала развертки окажутся отраженные импульсы. А их амплитуда будет соответствовать интенсивности отраженного сигнала. По ней в какой-то мере можно судить о величине цели.
Определять дальность на экране импульсного локатора очень просто: под линией развертки можно расположить бумажную шкалу. В первых РЛС так и делали. Но, поскольку такой способ уж очень несерьезен, в схему локатора ввели масштабные генераторы меток. Шкалу дальности стал рисовать электронный луч параллельно со своим основным назначением индикацией целей. Генератор развертки совершенствовался, например достигнут возможность «растянуть» по горизонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть отраженные сигналы в заданном интервале дальностей. Всех усовершенствований и не перечислить, о них написаны целые тома учебников и руководств по радиолокационной технике.
У описанного индикатора (он получил название «индикатор типа А») есть существенный недостаток: он дает только дальность, а направление на цель надо определять по шкалам поворотного устройства антенны. Поэтому очень скоро предложили другой индикатор (типа В), используемый в РЛС кругового обзора.
Индикатор кругового обзора.
Из самого названия ясно, что антенна этой станции вращается вокруг вертикальной оси, «просматривая» все азимутальные направления от 0 до 360°. Структурная схема РЛС и порядок работы остаются прежними, но индикатор кругового обзора (ИКО) выполнен совсем по-другому. Пилообразное напряжение развертки подается на специальный кольцевой отклоняющий электрод, и линия развертки проходит по радиусу — от центра к краю экрана. Она поворачивается синхронно с антенной. Для поворота линии развертки на обычные отклоняющие пластины X и Y подают синусоидальные переменные напряжения в квадратуре, т. е. на одну пару пластин — косинусоидальное напряжение, а на другую — синусоидальное. Частоты этих напряжений равны частоте вращения антенны и составляют доли герца. Луч при этом описывал бы круги на экране, но, поскольку имеется еще напряжение радиальной развертки на кольцевом электроде, изменяющееся значительно быстрее с частотой повторения излучаемых импульсов, луч чертит линию развертки, вращающуюся вместе с вращением антенны.
Сигнал с выхода приемника подастся на управляющий электрод (сетку) ЭЛТ и заставляет луч увеличивать яркость при наличии отраженных импульсов. Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную карту местности. Место расположения самой РЛС соответствует центру экрана. Локатор кругового обзора очень хорошо подходит для морской навигации, дальнего обнаружения воздушных целей, диспетчерского контроля в Аэропортах.
Теперь все чаще переходят к секторному обзору, при котором антенна «осматривает» не весь горизонт, а только нужную его часть. Большие наземные РЛС снабжают индикаторами нескольких типов: кругового обзора для обнаружения целей и контроля обстановки, типа А для точного определения дальности и т. д. Если, например, диаграмма направленности антенны может «качаться» еще и по углу места (для этого обычно не наклоняют всю антенну, достаточно «качать» ее облучатель), то применяют в дополнение к ИКО индикатор «дальность-высота». В нем луч развертывается по радиусу и «качается» в некотором секторе синхронно с антенной, а координаты выбраны прямоугольными. Такой индикатор наглядно покажет и высоту цели.
Необходимо сказать несколько слов о конструкции отдельных элементов разработанных радиолокационных станций. Мощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диапазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как правило триодах. Но колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни магагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощностью колебаний. Поэтому катушка вырождается в отрезок двухпроводной линии, выполненной из толстых медных трубок. Линия настраивается передвижным короткозамыкающим мостиком. Симметричная линия лучше всего совмещается с двухтактным генератором, схема которого и показана на рисунке.
