'Радиолокация (от радио... и лат. locatio — размещение, расположение), область науки и техники, предметом которой является наблюдение радиотехническими методами (радиолокационное наблюдение) различных объектов (целей) — их обнаружение, распознавание, измерение их координат (определение местоположения) и производных координат и определение др. характеристик. Под Р. понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов. При наличии нескольких объектов Р. должна обеспечивать требуемое их разрешение (раздельное наблюдение). Задачи Р. решаются при помощи отдельных радиолокационных станций (РЛС) и сложных радиолокационных систем. С Р. тесно связана радионавигация; часто их методы и аппаратура практически не различаются. Р. — одно из важнейших направлений современной радиоэлектроники.
Для радиолокационного наблюдения используют: эхо-сигналы, образующиеся в результате отражения радиоволн от объекта, облученного РЛС (т. н. Р. с зондирующим излучением); сигналы РЛС, переизлучаемые ретранслирующим устройством, находящимся на объекте, местоположение которого определяется (Р. с активным ответом); собственное радиоизлучение объекта — излучение радиоустройств, находящихся на объекте, или тепловое излучение самого объекта, определяющееся его температурой (пассивная радиолокация).
В Р. измеряют расстояние до объекта (дальнометрия, или дистанциометрия), направление прихода сигналов (пеленгация), радиальную и угловую скорости движения объекта и т.д. Радиолокационное наблюдение объектов позволяет также выявлять их многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта и т.п. Данные измерений могут быть дискретными (вырабатываемыми через определённые интервалы времени) или непрерывными. Объекты могут быть одиночными или множественными либо представлять собой сплошные образования. Возможно сложное (комбинированное) наблюдение, например радиолокационный обзор пространства в некотором секторе, позволяющий производить поиск и обнаружение новых объектов в этом секторе и одновременно непрерывно получать текущие координаты уже обнаруженных объектов.
В основе наиболее распространённого вида Р. — Р. с зондирующим излучением — лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приёмную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приёмной антенны РЛС П2 через плотность потока мощности излучения у объекта H1 по формуле
П1s = П2×4pR2,
где R — расстояние от объекта до РЛС. По характеру отражения или излучения радиоволн радиолокационные объекты принято разделять прежде всего на сосредоточенные (под которыми понимают одиночные объекты с размерами, малыми по сравнению с размерами объёма, разрешаемого РЛС) и распределённые. Распределённые объекты, в свою очередь, могут быть поверхностными (например, земная поверхность с пашней, кустарником, снегом и т.д., поверхность моря или Луны и т.д.) и объёмными (например, всевозможные неоднородности в атмосфере — облака, дождь, снег, искусственные дипольные помехи и т.д.). Гладкие поверхности, у которых размеры неровностей составляют незначительную долю от длины облучающей волны (например, спокойная водная поверхность, бетонное полотно и т.д.), отражают зеркально, т. е. при отражении наблюдаются определённые фазовые соотношения между облучающей волной и отражённой. При неровностях, соизмеримых с длиной облучающей волны или больших её, имеет место диффузное отражение волн, т. е. сложение волн со случайными фазами, отражённых от разных элементов поверхности. В общем случае реальные поверхности создают отражённые волны, содержащие как зеркальную, так и диффузную компоненту. Сопоставляя размеры одиночного объекта не только с объёмом, разрешаемым РЛС, но и с длиной волны, излучаемой ею, различают 3 случая: размеры объекта во много раз больше длины волны (т. н. оптическое рассеяние — поверхностное и краевое), размеры объекта и длина волны близки друг к другу (резонансное рассеяние), длина волны намного превосходит размеры объекта (рэлеевское рассеяние) (см. также Отражение света, Рассеяние света). Эти случаи различаются не только по интенсивности отражения, но и по характеру зависимости отражённого сигнала от длины волны и поляризации зондирующего сигнала. Особый практический интерес представляет случай большой величины отношения размеров объекта к длине волны, поскольку в Р. наибольшее применение имеют волны сантиметрового (СМ) диапазона, в котором у большинства объектов (самолёты, корабли, ракеты, космические аппараты) размеры поверхностей и краев во много раз превосходят длину волны. Для такого (оптического) рассеяния характерны независимость ЭПР от поляризации зондирующего сигнала и возможность разделить большой объект на отдельные, практически самостоятельные части. Как и в оптике, здесь большую роль играют «блестящие точки» (явление интенсивного отражения волн от выпуклых частей объекта), а также зеркально отражающие гладкие участки поверхности. Расчёт поверхностного рассеяния волн основан на применении оптических методов (преимущественно на использовании принципа Гюйгенса — Кирхгофа, согласно которому отражённое поле находится суммированием полей отдельных участков «освещенной» поверхности). При резонансном рассеянии величина ЭПР резко зависит от длины волны и имеет максимум (это явление используют для создания эффективных помех работе РЛС посредством сбрасывания с самолётов металлизированных лент длиной, равной половине длины волны). В области рэлеевского рассеяния ЭПР объекта обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны, прямо пропорциональна квадрату объёма объекта и не зависит от его формы. Такая зависимость объясняет выгоды применения в Р. сравнительно коротких волн (например, волн СМ диапазона) для обнаружения мелких объектов (например, снарядов, капель дождя и пр.).
Появление и развитие радиолокации. Явление отражения радиоволн наблюдал ещё Г. Герц в 1886—89. Влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силу сигнала зарегистрировал А. С. Попов в 1897. Впервые идея обнаружения корабля по отражённым от него радиоволнам была четко сформулирована в авторской заявке немецкого инженера К. Хюльсмайера (1904), содержавшей также подробное описание устройства для её реализации.
Интерференцию незатухающих радиоволн, приходящих к приёмнику по двум путям — от передатчика и, после отражения, от движущегося судна, — впервые наблюдали американский инженер А. Тейлор и Л. Юнг в 1922, а интерференцию при отражении радиоволн от самолёта — американский инженер Б. Тревор и П. Картер в 1932. В 1924 английский учёный Э. Эплтон провёл измерения высоты слоя Кеннелли — Хевисайда (слой Е ионосферы) путём наблюдения чередующихся усилений и ослаблений сигнала, вызванных варьированием частоты колебаний в передатчике, приводящим (как и при движении отражающего объекта) к изменению разности фаз между колебаниями, пришедшими по двум путям. В 1925 английские учёные Г. Брейт и М. Тьюв опубликовали результаты своей работы по определению высоты слоя Кеннелли — Хевисайда измерением времени запаздывания импульсного сигнала, отражённого от слоя, относительно сигнала, пришедшего вдоль поверхности Земли.
В СССР работы по Р. были развёрнуты с 1933 по инициативе М. М. Лобанова, под руководством Ю. К. Коровина и П. К. Ощепкова. Первые практически использовавшиеся РЛС, действие которых было основано на появлении биений при пересечении самолётом линии передатчик — приёмник, разработаны под руководством Д. С. Стогова в 1938. Импульсный метод Р. разработан в 1937 в Ленинградском физико-техническом институте под руководством Ю. Б. Кобзарева.
Последующее развитие Р., её внедрение в различные виды вооружения и народное хозяйство связаны с освоением диапазона СВЧ, совершенствованием методов Р., внедрением вычислительной техники и использованием достижений смежных наук. Особое значение имела разработка радиолокационных измерительных устройств для зенитной и корабельной артиллерии. Появление и применение (почти одновременно с Р.) противорадиолокационных средств — пассивных и активных помех, защитных покрытий и пр. (см. Радиоэлектронное противодействие), вызвали необходимость разработки специальных противопомеховых методов и устройств. Радиолокационными методами решаются разнообразные задачи народного хозяйства, связанные с навигацией (см. Навигация, Навигация воздушная), метеорологией (см. Радиолокация в метеорологии), аэрофотосъёмкой (см. Аэрометоды), разведкой полезных ископаемых и др.
Появление (в 50—60-х гг.) ракетной и космической техники усложнило и расширило задачи Р. Создание ракет и космических летательных аппаратов (КЛА) потребовало точного измерения траектории и параметров их движения с целью управления ими, прогнозирования траектории точной посадки КЛА на Землю и др. планеты, точной географической привязки количественных результатов научных измерений, данных метеорологической обстановки, фотоснимков и т.п. к координатам КЛА, измерения взаимного положения КЛА. Одно из достижений Р. — решение задачи поиска и сближения двух КЛА, включая их автоматическую стыковку. Для ряда космических применений Р. характерна тесная связь радиолокационных систем с системами передачи информации (в области радиотелеметрии, космического телевидения и радиосвязи) и передачи команд, а также с вычислительными устройствами автоматического комплекса управления КЛА. Часто эти системы имеют общий канал связи (общие антенны, цепи передающих и приёмных устройств), а в ряде случаев работают с общим сигналом.
Важная область применения Р. — планетная радиолокация, позволившая путём приёма радиосигналов, отражённых от планет, с большой точностью измерить расстояние до них и тем самым снизить погрешность в определении основной астрономической единицы, уточнить параметры орбит планет, определить (по расширению спектра отражённого радиосигнала) период вращения планет (в частности, Венеры) и осуществить радиолокационное наблюдение рельефа поверхности планет. В СССР Р. Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера выполнил в 1961—63 коллектив учёных во главе с В. А. Котельниковым. См. также Радиолокационная астрономия.
При создании систем противоракетной обороны (ПРО) Р. должна решать сложные задачи, связанные с уничтожением ракет противника, в том числе с обнаружением и сопровождением ракет и наведением на них противоракет.
Основные принципы и методы радиолокации. Среди многочисленных принципов и методов Р. следует выделить наиболее важные, связанные с дальностью действия РЛС, измерением дальности, пеленгацией, защитой от пассивных помех (метод селекции движущихся целей), разрешением (метод бокового обзора).
Дальность действия РЛС, использующих отражённые сигналы (в отсутствии пассивных помех), при расположении передатчика и приёмника в одном месте определяется согласно основному уравнению Р.:
'
где R — дальность действия; Р — средняя мощность зондирующих сигналов; Т — время, в течение которого должно быть произведено обнаружение объекта или определение его местоположения; Sэ — эффективная площадь приёмной антенны; Q — телесный угол, внутри которого ведётся наблюдение; Еп — энергия отражённого сигнала, которая необходима для обнаружения объекта с заданной достоверностью или определения его местоположения с заданной точностью; L — коэффициент потерь, обусловленных отличием реальной системы от идеальной.
Модификации этого уравнения связаны со специфическими условиями применения РЛС. Так, в наземных РЛС обнаружения воздушных целей, ожидаемых на некоторой высоте, для рационального использования мощности, излучаемой антенной, выбирают антенны с такой диаграммой направленности, чтобы во всём рабочем секторе обеспечивалось постоянство принимаемых сигналов независимо от дальности. Уравнения дальности действия РЛС, использующих ретранслированные (радиолокационным маяком) сигналы, составляются раздельно для 2 одинаковых расстояний: РЛС — маяк и маяк — РЛС; для каждого из них в зависимость дальности от энергетического потенциала радиоканала (от мощности передатчика и чувствительности приёмника) входит R2 а не R4.
Дальность радиолокационного наблюдения в диапазоне СВЧ ограничивается кривизной земной поверхности и равна (в км)
,
где h1 и h2 — высоты расположения объекта и РЛС над поверхностью Земли (в км). Дальность действия значительно возрастает в диапазоне декаметровых (коротких) волн — благодаря их распространению с последовательными отражениями от ионосферы (в среднем на высоте 300 км) и от поверхности Земли (см. Распространение радиоволн).
Открытие сов. учёным Н. И. Кабановым в 1947 явления дальнего рассеянного отражения от Земли декаметровых волн с их возвратом после отражения от ионосферы к источнику излучения привело к появлению принципиальной возможности создания т. н. ионосферной, или загоризонтной, Р. Загоризонтная Р. может осуществляться в основном по двум схемам: «на просвет» — с большим разнесением передатчика и приёмника и наблюдением объектов, находящихся между ними, и с возвратно-наклонным зондированием — с приёмом сигналов, приходящих обратно к месту излучения (рис. 1).
Измерение дальности по отражённым сигналам обычно производится двумя способами. В основу первого (т. н. импульсного) способа положено излучение импульса и измерение времени запаздывания отражённого (или ретранслированного) объектом импульса относительно излученного. Измерение облегчается, если отражённый сигнал не налагается на зондирующий, т. е. объект находится на достаточном удалении от РЛС. В простейшем случае (рис. 2) для реализации этого способа применяются импульсный передатчик, приёмник (обычно супергетеродинного типа), задающий генератор-синхронизатор для запуска передатчика и задания шкалы времени, индикатор осциллографического типа, по шкале которого можно отсчитывать дальность. Модификациями этой схемы являются многошкальные схемы, построенные по принципу нониуса, и следящие схемы — автодальномеры.
В основу второго способа положено наблюдение интерференции двух непрерывных волн, связанных с зондирующим излучением и отражением от объекта (или ретрансляцией). При реализации этого способа с зондирующими колебаниями, частота которых модулирована по линейному закону, в смеситель приёмного устройства (рис. 3, а, б) поступают колебания передатчика и сигнала, в результате чего имеют место биения между ними с частотой, пропорциональной измеряемой дальности. После детектирования, усиления и ограничения сигналы поступают на частотомер — счётчик частоты биений, шкала которого может быть проградуирована непосредственно в единицах дальности.
Радиальная скорость объекта, как правило, определяется с высокой точностью измерением частоты Доплера (см. Доплера эффект). При этом получение высокой разрешающей способности по скорости и высокой точности её измерения связано с применением сигналов большой длительности. Однако получение высокой разрешающей способности по дальности и высокой точности её измерения связано с применением широкополосных сигналов. Поэтому в Р. целесообразно применять сложные широкополосные сигналы с большой базой (с большим произведением ширины полосы спектра сигнала на его длительность). В случае простых сигналов (например, одиночных монохроматичных импульсов) расширение спектра сигнала с целью получения лучшего разрешения по дальности сопровождалось бы ухудшением разрешения по скорости.
Пеленгация объектов может осуществляться при наблюдении из одного пункта и при разнесённом приёме. В устройствах, расположенных в одном пункте, широкое применение получил метод пеленгации путём сравнения амплитуд сигналов — амплитудный метод, позволяющий получить высокую точность в сочетании с автоматическим слежением за целью по направлению и высоким отношением сигнал/шум. В простейшем случае достаточно сравнить амплитуды сигналов от объекта в двух положениях диаграммы направленности антенны (рис. 4), чтобы по знаку и величине разности этих сигналов (т. н. сигналу ошибки) судить о величине и знаке отклонения направления на объект от равносигнального (в котором сигнал ошибки равен нулю). После усиления сигнал ошибки подаётся в следящую систему, которая поворачивает антенну вслед за перемещением объекта («следит» за равносигнальным направлением).
Существуют 2 варианта этого метода. В первом (более простом) необходим только один приёмный канал связи с одной антенной. Путём механической или электронной коммутации соответствующих цепей получают два положения диаграммы направленности антенны и вырабатывают сигнал ошибки, который управляет следящей системой. Образование сравниваемых сигналов реализуется последовательно (во времени). Во втором, называемым моноимпульсным методом (см. Моноимпульсная радиолокация), существуют 2 отдельных приёмных канала связи с 2 антеннами и образование 1-го и 2-го сигналов происходит одновременно. Моноимпульсный метод свободен от ошибок, вызываемых флуктуациями сигналов (неизбежными в первом варианте).
В РЛС СМ диапазона волн первый вариант пеленгации реализуется при коническом сканировании, т. е. при вращении радиолуча, отклоненного относительно оси зеркала антенны (равносигнального направления). Синхронно с вращением луча вырабатываются 2 ортогональных напряжения, используемых для коммутации (на выходе тракта сигнала) фазовых детекторов с целью выделения сигнала ошибки. Во втором варианте одновременно существуют 4 радиолуча и 2 сигнала ошибки (от каждой из ортогональных пар лучей).
Кроме метода сравнения, также применяется амплитудный метод анализа огибающей принимаемых сигналов, позволяющий получить примерно такую же точность пеленгации при одновременном обзоре узким лучом сектора, в котором может находиться несколько целей.
Методы разнесённого приёма позволяют достигнуть высокой точности пеленгации путём измерения разности времени прихода сигналов. В зависимости от вида принимаемых сигналов такое измерение может производиться импульсным, корреляционным и фазовым способами.
Большое развитие в Р. получил фазовый способ пеленгации, основанный на измерении разности фаз высокочастотных колебаний, принимаемых антеннами, разнесёнными на определённое расстояние, называемое базой. Его достоинство — высокая точность, достигаемая главным образом необходимым увеличением базы. Метод свободен от погрешностей, вызываемых флуктуациями сигнала, общего (по амплитуде) для каналов фазовой системы. При преобразовании радиочастоты в промежуточную (более низкую) частоту в супергетеродинном радиоприёмнике разность фаз сохраняется неизменной, и её измерение с точностью ~ 1° не представляет технических трудностей. При реализации этого метода важно сохранять идентичность и стабильность фазовых характеристик отдельных приёмных каналов, пропускающих колебания, разность фаз которых измеряется, а также поддерживать постоянство частоты принимаемых волн и базы (или осуществлять специальный контроль за их изменением).
Фазовый метод весьма удобен и для точного измерения угловой скорости излучающего объекта. Применяя увеличенную базу, можно во много раз повысить чувствительность системы к изменению угловых координат, получая измеримые разности фаз колебаний при ничтожных угловых перемещениях объекта. Сложность измерения этими системами угловых координат и их производных обусловлена многоканальностью их структуры, жёсткими требованиями к фазовым характеристикам каналов, необходимостью использовать для автоматизации обработки данных ЦВМ с высокой производительностью.
Развитие фазовых методов измерения угловых координат и их производных в Р. было использовано в радиоастрономии, где получили применение интерферометры со сверхдлинной базой (порядка нескольких тысяч км); с их помощью достигают углового разрешения порядка тысячной доли угловой секунды.
Большое значение в Р. имеет метод селекции движущихся целей — обнаружения отражённых целями сигналов, маскируемых радиоволнами, отражёнными от местных предметов — зданий, холмов, леса (при наблюдении низколетящих самолётов и снарядов или объектов, движущихся по земле), либо от волнующегося моря (при наблюдении перископов подводных лодок), либо от «облака» пассивных дипольных помех (при наблюдении воздушных объектов) и т.д. При этом методе, называемом также когерентно-импульсным, фаза излученных радиоволн запоминается с тем, чтобы при приёме сигнала, отражённого от объекта, по мере движения объекта можно было фиксировать изменение разности фаз между принятым и посланным сигналами; для неподвижного или малоподвижного фона помех изменения разности фаз в соседних периодах повторений импульсов близки к нулю, и при помощи устройств компенсации можно эти сигналы подавить, пропустив на выход РЛС только сигналы от движущихся объектов. Известны 2 способа реализации такого метода: с передатчиком (например, на клистроне, рис. 5), фаза колебаний в котором может управляться, и с передатчиком (например, на магнетроне, рис. 6), фаза колебаний которого от посылки к посылке импульсного сигнала случайна. В последнем случае фаза СВЧ колебаний магнетрона запоминается путём принудительного фазирования когерентного гетеродина приёмника при каждой посылке зондирующего сигнала.
Методы оптимальной обработки сигналов (в т. н. когерентных РЛС) позволили получать высокую угловую разрешающую способность у РЛС, движущихся относительно объектов (в т. ч. даже если размеры антенны сравнительно невелики, т. е. при широком радиолуче). Так, для картографирования местности был разработан метод бокового обзора с синтезированным раскрывом антенны. В РЛС, использующих этот метод, антенна, вытянутая вдоль пути летательного аппарата (ЛА), принимает от каждой элементарной площадки местности сигналы, различающиеся временем запаздывания (в связи с перемещением ЛА) и частотой Доплера. Т. к. при оптимальной обработке сигналы запоминаются и суммируются с соответствующими фазовыми сдвигами, то можно получить эффект синфазного сложения сигналов, подобно тому как это происходило бы при неподвижной синфазной антенне с эквивалентным размером D вдоль линии пути, определяемым перемещением Л А за время когерентного накопления сигнала Т:
D = uT,
где u — скорость перемещения ЛА. Вследствие эффекта Доплера изменение частоты колебаний Df для элементов поверхности, разнесённых на ширину радиолуча q = lld (где l — длина волны, d — диаметр или сторона раскрыва антенны), равно
Следовательно, после оптимальной обработки сигнала длительность сжатого импульса t будет равна
'
что соответствует предельно достижимой продольной разрешающей способности вдоль линии пути, равной d = tu (или 1/2d, если та же бортовая антенна используется не только для приёма, но и для облучения и обеспечивает т. о. удвоение фазовых сдвигов отражённых колебаний).
Лит.: Теоретические основы радиолокации, под ред. В. Е. Дулевича, М., 1964; Современная радиолокация, пер. с англ., М., 1969; Теоретические основы радиолокации, под ред. Я. Д. Ширмана, М., 1970; Вопросы статистической теории радиолокации, под ред. Г. П. Тартаковского, т. 1—2, М., 1973—74.
А. Ф. Богомолов.
Рис. 3. Схема измерения дальности при непрерывных частотно-модулированных колебаниях (а) и кривые изменения во времени частоты зондирующего (fп) и отражённого (f0) колебаний (б): Тм — период модуляции; 2 r/c — временное запаздывание отражённого сигнала ( r — расстояние до цели, c — скорость света); t — время.
Рис. 6. Блок-схема псевдокогерентной радиолокационной станции с фазируемым когерентным гетеродином. Обозначения те же, что и на рис. 5.
Рис. 4. Схема пеленгации по методу сравнения: ОБ — равносигнальное направление; ОА и 0B — 2 положения максимума диаграммы направленности.
Рис. 5. Блок-схема когерентной радиолокационной станции: Fд — частота Доплера движущейся цели; f0 — несущая частота; fпр — промежуточная частота; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; Ан — антенна.
Рис. 2. Схема измерения дальности импульсным методом: r — расстояние до цели.
Рис. 1. Схема загоризонтной радиолокации.