Главная >> Колебания и волны. Физика 11 класс. Мякишев

Глава 5. Электромагнитные волны

§ 5.15. Радиолокация

Радиолокация — обнаружение и точное определение положения объектов (самолетов в воздухе, кораблей, айсбергов в море и т. п.) с помощью радиоволн — является еще одним примером практического применения электромагнитных волн.

Радиолокация основана на явлении отражения радиоволн от различных объектов. Практически заметное отражение радиоволн от тех или иных объектов возможно лишь в том случае, когда линейные размеры этих объектов превышают длину электромагнитной волны. Поэтому радиолокационные станции работают исключительно в диапазоне СВЧ (10⁸—10¹¹ Гц). Кроме того, для поиска объектов в радиолокации применяют остро направленный пучок электромагнитных волн, что практически возможно тоже только с очень короткими волнами.

Для получения остро направленного излучения дециметровых и более коротких волн используют антенны в виде вогнутых (параболических) металлических зеркал, в фокусе которых расположен излучающий диполь. Для более длинных волн конструируют сложные антенны, состоящие из многих определенным образом расположенных вибраторов. При этом острая направленность излучения получается вследствие интерференции волн. Антенна устроена так, что волны, посланные каждым из вибраторов, при сложении взаимно усиливают друг друга лишь в заданном направлении. В остальных направлениях при сложении волн происходит полное или частичное их взаимное гашение.

Отраженная волна улавливается той же излучающей антенной. Ярко выраженная направленность излучения позволяет говорить о «луче» радиолокатора. Направление на объект и определяется как направление луча в момент приема отраженного сигнала.

Радиолокаторы представляют собой установки импульсного действия. Передатчик излучает волны кратковременными импульсами (рис. 5.40). Длительность каждого импульса τ составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами Т примерно в 1000 раз больше.

Отметим, что средняя мощность генератора оказывается совсем небольшой по сравнению с мощностью в импульсе. Так, при τ = 10^-6 с, Т = 10^-3 с и мощности в импульсе Р_и = 300 кВт средняя мощность генератора равна:

Принцип действия радиолокатора

Современная радиолокационная станция представляет собой очень сложное радиотехническое устройство. В самых общих чертах работу простейшей радиолокационной станции можно объяснить при помощи блок-схемы, изображенной на рисунке 5.41.

В момент отправления передатчиком импульса антенный переключатель переключает антенну на режим «передача». Одновременно с посылкой импульса подается кратковременный сигнал на вертикально отклоняющие пластины индикатора (электронно-лучевой трубки) и равномерно нарастающее пилообразное напряжение на горизонтально отклоняющие пластины этой трубки. Вследствие этого на экране появляется всплеск около нулевой отметки шкалы дальности (рис. 5.42). Электронный луч за промежуток времени между импульсами под воздействием пилообразного напряжения равномерно движется по экрану индикатора.

После отправления импульса антенный переключатель соединяет антенну с приемником. Отраженный от препятствия сигнал принимается антенной, многократно усиливается* и подается на вертикально отклоняющие пластины той же трубки. Получается вторичный вертикальный всплеск на определенном расстоянии от первого. Зная скорость движения электронного луча в трубке, можно определить время t прохождения радиоволн от антенны до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с = 3 • 10⁸ м/с в атмосфере практически постоянна, то расстояние по лучу от антенны до цели

* Вследствие рассеяния радиоволн до приемника доходит лишь ничтожная часть той энергии, которую излучает передатчик. Поэтому приемники радиолокаторов усиливают принятый сигнал в миллионы миллионов (1012) раз.

Расстояние между всплесками на экране индикатора пропорционально времени t прохождения сигнала и, следовательно, пропорционально расстоянию R до цели. Это позволяет проградуировать шкалу непосредственно в километрах.

Для определения направления на искомый объект антенна делается подвижной и способной поворачиваться в любом направлении. Зная ориентацию антенны во время обнаружения цели, определяют координаты цели. Изменение с течением времени этих координат дает возможность определить скорость цели и рассчитать ее траекторию.

Применение радиолокации

В настоящее время радиолокация находит себе различные применения, и прежде всего, для нужд обороны страны: обнаружение ракет, самолетов и кораблей, орудийная наводка и др. Дальность действия современных радиолокаторов достигает нескольких сотен километров. На их работу мало влияют условия погоды и время суток.

Радиолокационные установки имеют очень важные мирные «профессии». В больших аэропортах локаторы следят за взлетающими и идущими на посадку самолетами. Наземная служба передает по радио пилотам необходимые указания и таким образом обеспечивает безопасность полетов. Корабли и самолеты также снабжены радиолокаторами, служащими для навигационных целей. Такие локаторы создают на экране картину расположения объектов, рассеивающих радиоволны. Оператор имеет перед глазами радиолокационную карту местности.

Радиолокация широко используется в астрономии и в исследовании космического пространства. С помощью локаторов наблюдают метеоры в верхних слоях атмосферы. Локаторы применяются службой погоды для наблюдения за облаками. Каждый космический корабль обязательно имеет на борту несколько радиолокаторов. В 1946 г. в США и Венгрии был осуществлен эксперимент по приему сигнала, отраженного от поверхности Луны. В 1961 г. отечественными учеными произведена радиолокация планеты Венера, что позволило оценить период вращения планеты вокруг своей оси, длительное время остававшийся неизвестным. Осуществлена радиолокация Марса, Меркурия и Юпитера (на расстоянии около 600 млн км).