Министерство образования и
науки Российской Федерации
федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайская государственная
педагогическая академия»
ФГБОУ ВПО «АлтГПА»
Кафедра физики и методики обучения физике
Курсовая работа
по дисциплине «Общая и экспериментальная
физика»
Физические основы
и применение радиолокации
Выполнила студент
501 группы
Черников Евгений Андреевич
_________________
(подпись)
Научный руководитель
к.пед.н., доцент Гибельгауз
О.С.
_________________
(подпись)
Дата защиты ______________
Оценка ________________
Барнаул – 2013
Содержание
Введение
На сегодняшний день радиолокация
– одно из самых выдающихся достижений
науки и техники современного времени,
и представляет собой средство расширения
возможностей человека определять наличие
и положение объектов за счет использования
явлений отражения радиоволн этими объектами.
Основная идея радиолокации
состоит в том, что электромагнитные волны
распространяются через атмосферу по
определенным физическим законам с известной
скоростью, приблизительно равной скорости
света в вакууме. Любые препятствия или
изменения характеристик среды на пути
распространения радиоволн приводят к
возникновению отражений, которые могут
быть обнаружены и, таким образом, становятся
источником информации о наличии и свойствах
таких препятствий или изменений.
Следует отметить, что развитие
радиолокации явилось очень важной частью
технической революции двадцатого века,
и главным стимулом к исследованию радиолокации
явилась необходимость создания эффективного
средства раннего обнаружения самолетов
противника, так как применявшаяся для
этого звуколокация уже к 30-м годам XXвека
стала непригодной из-за возросшей скорости
самолетов.
Впоследствии из-за снижения
массового интереса к радиолокации, его
вытеснили новые научные и технические
успехи, а сама радиолокация оформилась
в строгую научную дисциплину с четко
очерченными границами возможностей и
приложений.
Значимость радиолокации как
научной дисциплины, необходимость ее
изучения из-за практической значимости,
а также определения перспектив ее развития
в современных условиях мирового сообщества
и обусловило актуальность выбранной
темы исследования данной курсовой работы.
Целью курсовой работы является
теоретическое изучение радиолокации,
ее физических основ и основных сфер применения.
Данная цель обусловила
постановку следующих задач:
- изучить современное понятие
радиолокации, рассмотреть ее физические
основы
- описать основные системы
координат, используемые в радиолокации;
- рассмотреть основные методы
радиолокации;
- исследовать практическое
применение радиолокации, а также способы
противодействия радиолокационному наблюдению.
Объектом исследования является
радиолокация как область радиоэлектроники,
а в качестве предмета исследования выступает
ее практическое применение в современных
условиях развития науки, техники и общества.
В процессе исследовательской
работы были применены следующие методы
научного исследования:теоретический анализ и синтез, изучение монографических
публикаций и статей.
Информационной базой исследования
послужили научные
труды отечественных специалистовВ.Г. Горохова, В.Н. Минаева,Г.С. Кондратенкова,
данные периодических изданий, интернет-сайтов,
а также учебная литература по изучаемым
вопросам.
Курсовая работа состоит из
введения, двух глав, заключения и списка
использованной литературы.
Введение содержит в себе актуальность
и сущность исследуемой проблемы, главную
цель и задачи исследования, объект и предмет,
выбранные методы исследования, основную
используемую литературу. В первой главе
работы рассматриваются общие сведения
о радиолокации. Вторая глава посвящена
изучению практического применения радиолокации.
Заключение содержит в себе логически
последовательно изложенные выводы.
Глава 1.Общие сведения
о радиолокации
- Современное понятие радиолокации, ее физические основы.
На сегодняшний день радиолокацию
можно рассматривать как область радиоэлектроники,
занимающаяся обнаружением объектов (целей),
определением их пространственных координат,
параметров движения и физических размеров
с помощью радиотехнических средств и
методов.При этом под радиолокацией понимают
также сам процесс радиолокационногонаблюдения
(локации) объектов, а устройства такого
назначения – радиолокационными
станциями (РЛС) или радиолокаторами[12].
Следует отметить, что радиолокация
по общему признанию историков возникла
примерно в однои то же время в различных
странах – СССР, США, Великобритании, Германии
– какответ на четко определенный социальный
заказ на создание новых типоврадиотехнических
систем –«радаров», или радиолокационных
станций.
Увеличение скоростей военных
самолетов и развитие военно-морского
флотапотребовали и новых способов их
обнаружения и навигации. Старая аппаратура,
звукоулавливатели и прожекторные системы
– для решения новых оперативныхзадач
армии не годились, именно поэтому перед
инженерами и учеными была поставленаконкретная
инженерная задача: проверить возможность
использования радиоволндля обнаружения
различных объектов и разработать соответствующуюэкспериментальную
аппаратуру [1, c. 27].
Однако для решения этой сложной
задачи необходимо былопровести целый
ряд новых научных исследований, и для
этого были сформулированысложные научные
проблемы, в процессе разработки которых
и сформировалосьновое исследовательское
направление в рамках радиотехники.
Формирование нового исследовательского
направления – радиолокации – в рамках
радиотехники как научно-технической
дисциплины сопровождалось выходом в
свет многочисленных статей и появлением
патентов, описывающих принципы действия,
аппаратуру и методы работы РЛС, а также
становлением промышленной базы для их
изготовления [1, c. 27].
Таким образом, современная
радиолокация – это высокоинтеллектуальный
продукт инженерной мысли, который сегодня
является основным средством разведки
и наблюдения. Современные РЛС и системы
разведки земного, морского и воздушного
пространства создаются на базе компьютерных
и телекоммуникационных технологий, глобальныхи
локальных систем координатно-временного
обеспечения, цифровой обработки сигналов.
Также создаются станции с управляемой
энергетикой (в том числе сложение энергии
сигнала в пространстве), развивается
многопозиционная локация, достигнуты
существенное уменьшение габаритов и
энергопотребления, ростфункциональной
насыщенности аппаратуры и многое другое
[3, c. 185].
Следует отметить, что радиолокация
основана на использовании ряда физических
законов и свойств, связанных с распространением
и рассеянием электромагнитных волн (ЭМВ).
Важнейшим для радиолокации свойством
электромагнитных волн является их рассеяние
при падении на объекты, что позволяет,
принимая рассеянные объектом волны и
измеряя их параметры, судить о наличии
и свойствах объекта. В общем случае объект
рассеивает волны во все стороны, в том
числе и в сторону, обратную направлению
прихода падающей волны. Таким образом,
облучая объект, можно принимать отраженную
волну в том же месте, откуда распространяется
волна облучения [20].
Также в радиолокации используется
закон о прямолинейности и постоянства
скорости распространения электромагнитных
волн в однородной среде. Другими словами,
электромагнитные волны распространяются
в однородной среде прямолинейно и с постоянной
скоростью:
,
(1)
где εа,μа– абсолютные
диэлектрическая и магнитная проницаемости
среды (для свободного пространстваεа = ε0 =1/36π *109 Ф/м;= = 4π* 10-7 Г/м и соответственно
υ = с = 3 * 108 м/с).
Нужно подчеркнуть тот факт,
что именно постоянство вектора скорости
распространения электромагнитных волн
в однородной среде, то есть его модуля
и направления, служит физической основой
радиолокационных измерений [20].
Действительно, благодаря этому
дальность Д и время распространения радиоволны
(РВ) связаны прямой пропорциональностью,
и если измерено время прохождения волны между целью и РЛС,
то становится известным и расстояние
между ними:
Д = с
(2)
Цель вносит неоднородность
в свободное пространство, так как параметры
ее εа и отличаются соответственно
от ε0 и , чем нарушается
постоянство вектора скорости распространения
радиоволн. В результате объект преобразуетрадиоизлучение:
часть энергии переотражается, часть –
поглощаетсяобъектом, переходя в тепло,
а другая часть при радиопрозрачности
объекта– преломляется, изменяя направление
радиоволны. С точки зрения радиолокацииинтересен
первый случай, когда цель становится
источником вторичногоизлучения. По времени
запаздывания отраженного сигнала относительно
излученного (формула 3)определяем наклонную
дальность цели (формула 4):
= 2Д/с ,
(3)
Д = с/2.
(4)
Возможно и такое решение: на
цели, если она «своя», а не противника,
устанавливается приемопередатчик, называемый
ответчиком, или ретранслятором, который
принимает зондирующий сигнал от РЛС и
усиливает его для запуска передатчика.
Ответный сигнал принимается на РЛС, и
дальность цели определяется по следующей
формуле:
,
(5)
где - запаздывание ответного
сигнала относительно зондирующего; –
заранее известное время задержки сигнала
в цепях ответчика [20].
Необходимо заметить, что величина должна измеряться
безынерционными электронными часами,
так как время запаздывания радиолокационных
сигналов очень мало (от микро- до миллисекунд).Например,
радиоволны, отраженные от цели с дальностью
Д = 150 м, запаздывает на одну микросекунду,
и каждому километру дальности цели соответствует
задержка радиоволны на время 1000/150
= 6,7 мкс. При этом пусть радиолокационная
антенна имеет вид прямолинейной решетки
из вибраторов(p), отстоящих один от другого
на расстоянии (d) (рисунок 1). Значительная
удаленность цели от РЛС позволяет, что
лучи, идущие от цели к вибраторам, направлены
параллельно под углом (φ)к решетки, а амплитуды
ЭДС, наводимых в отдельных вибраторах,
равны между собой: Ɛ1m = Ɛ2m = Ɛ3m = … = Ɛpm.
Рисунок 1.Прием радиоволны
линейной вибраторной антенной решеткой
В этих условиях ЭДС соседних
вибраторов отличаются только сдвигом
по фазе ψ, вызванным разностью хода волн
(dcosφ). Так как на каждую единицу длины
данная бегущая волна отстает по фазе
на угол 2π/λ, то:
Ψ = 2πdcosφ/λ
(6)
Сложение векторов ЭДС вибраторов
Ɛ1m, Ɛ2m, …, Ɛpmпри различных
углах Ψ = и Ψ = (рисунок 2) дает различную результирующую ЭДС в антенне, отсюда и вытекает возможность пеленгации
цели по амплитудным и фазовым характеристикам направленности антенны,
а первопричиной образования таких
характеристик явилось различие в запаздывании
волн, принимаемых отдельными элементами решетки,следовательно, не только радиодальнометрия, но и радиопеленгация основана на постоянстве скорости и направления распространения волн [20].
Рисунок 2. Векторные
диаграммы эдс решетки
при различных направлениях
облучения.
Радиальную и угловую скорости
цели можно найти вычислением скорости
приращения дальности и углов во времени,
но обычно предпочитают более простую
и точную операцию – непосредственное
измерение так называемого доплеровского
сдвига частоты (f0), вызванного
движением цели. Доплеровский сдвиг частоты Fдсвязан с радиальной
скоростью движения объекта Vrсоотношением:
,
(7)
где λ0 – длина волны излучаемого
сигнала; Vr– радиальная
скоростьотносительного движения цели.
Если цель приближается к РЛС
или удаляется от нее, то отраженный сигнал
появляется в РЛС соответственно раньше
или позже, чем при неподвижной цели, и
за счет этого фаза принимаемой волны
имеет другие значения, а это равнозначно
приращению частоты радиосигнала. Измерив
полученное (доплеровское) приращение
частоты, можно (благодаря постоянству
скорости распространения радиоволн)
определить радиальную скорость цели.
Подобно тому, как разность
времени запаздывания сигнала в элементах
антенны определяется угловыми координатами
цели, разность доплеровских сдвигов частот
в тех же (обычно крайних) элементах антенны
определяется скоростью изменения углового
положения цели [20].
Таким образом, радиолокации
является одним из важнейших направлений
современной радиоэлектроники, при этом
история именно этой области науки и техники
дает возможность проследить общие процессы
современного научно-технического прогресса.
В настоящее время радиолокация применяется
не только в армии, так как теперь она успешно
служит во многих областях мирной жизни,
помогает решать сложные задачи науки.
Физической основой радиолокационных
измерений дальности, угловых координат,
радиальной и угловой скоростей цели является
постоянство направления и скорости распространения
электромагнитных волн в однородной среде.