25 May 2018, Friday
Редактор перевода
Александр Чарыков
Статьи Wikiyours - это англоязычные статьи, переведённые на русский язык. Любой, кто владеет английским языком может стать обладателем своей собственной статьи и заработать деньги на её переводе. Соединим приятное с полезным!
Для перевода выберите статью.
Для перевода статьи
выберите категорию
Предложить изменения

Радар

Содержание
  1. Что такое радар?
  2. История изобретения радара
  3. Когда появились первые радары?
  4. Для чего используют радар?
  5. Принцип действия радара
  6. Поляризация радиоволн
  7. Обработка радиолокационных сигналов
  8. Системы отслеживания целей
  9. Устройство радиолокационной станции
  10. Конструкция антенны
  11. Закон о радарах
  12. Радар Картинки

Что такое радар?

Радарная антенна

Радар представляет собой систему обнаружения объектов, которая использует радиоволны, чтобы определить удаление, угол или скорость объектов. Он может быть использован для обнаружения самолетов, кораблей, космических аппаратов, управляемых ракет, автотранспортных средств, погодных образований и рельефа местности. Система РЛС состоит из передатчика испускающего электромагнитные волны в радио - или микроволновом диапазоне, передающей антенны, приемной антенны (часто используется одна и та же антенна для передачи и приема) и приемник с процессором для определения свойств объекта (ов). Радиоволны (импульсного или непрерывного действия) передатчика отражается от объекта и возвращаясь к приемнику, приносят информацию о местоположении и скорости объекта.

Радар разрабатывался в режиме секретности для военного использования несколькими странами в период, до и во время Второй мировой войны. Термин RADAR был придуман в 1940 году ВМС Соединенных Штатов как акроним для радиолокации или радиопеленгации и с тех пор вошел в английский и другие языки как общее существительное.

Антенна

Современные виды использования РЛС (радиолокационных станций, радаров) весьма разнообразны. Сюда входят воздушное и наземное управления движением, радиолокационная астрономия, системы ПВО, противоракетные системы, морские радары для определения местонахождения и судов, системы предотвращения столкновений воздушных судов, системы наблюдения за океаном, наблюдения за космосом и системы сближения и стыковки, мониторинг метеорологических осадков, альтиметрические системы и системы управления полетом, системы наведения ракет на цели, георадар для геологических наблюдений, а также радар для медицинских исследований и наблюдений. Высокотехнологичные радиолокационные системы связаны с цифровой обработкой сигнала, машинным обучением и способны извлекать полезную информацию из сигналов с очень высокими уровнями шума.

Другие системы, аналогичные радару, используют другие области электромагнитного спектра. Одним из примеров является "лидар", который использует ультрафиолетовую, видимую или ближнюю инфракрасную области света лазерного излучения, а не радиоволн.

История изобретения радара

Радиолокационная антенна

Уже в 1886 году, немецкий физик Генрих Герц показал, что радиоволны могут отражаться от твердых предметов. В 1895 году Александр Попов, преподаватель физики в Императорской школе ВМФ России в Кронштадте, разработал аппарат, использующий трубку когерера для обнаружения удаленных ударов молнии. В следующем году, он добавил к устройству искровой передатчик. В 1897 году, во время тестирования этого оборудования для осуществления связи между двумя судами в Балтийском море, он обнаружил интерференционные биения, вызванные прохождением третьего судна. В своем докладе, Попов писал, что это явление может быть использовано для обнаружения объектов, но он практически больше никак не использовал это наблюдение.

Немецкий изобретатель Христиан Хулсмайер был первым, кто использовал радиоволны для обнаружения "присутствия удаленных металлических предметов". В 1904 году он продемонстрировал возможность обнаружения судна в плотном тумане, но не расстояние до него от передатчика. Он получил патент на свое устройство обнаружения в апреле 1904 года, а затем патент на усовершенствование для оценки расстояния до корабля. Кроме того, он получил британский патент 23 сентября 1904 года на полную радиолокационную систему, которую он назвал telemobiloscope. Он работал на длине волны 50 см. и импульсный сигнал радара создавался при помощи искрового зазора (spark-gap). В его системе уже использовалась классическая антенная конструкция в виде рупорной антенны с параболическим отражателем и она была представлена ​​немецкими военными чиновниками в ходе практических испытаний в Кельне и Роттердамской гавани, но была отвергнута.

Мониторинг атмосферных осадков

В 1922 году А. Хойт Тейлор и Лео К. Янг - исследователи, работавшие с ВМС США, испытали передатчик и приемник, расположенные на противоположных сторонах реки Потомак и обнаружили, что корабль, пересекавший траекторию радиолуча вызывал пропадание и появление снова принимаемого сигнала. Тейлор представил доклад, в котором предположил, что это явление может быть использовано для обнаружения присутствия кораблей в условиях плохой видимости, но флот не сразу принял решение продолжать исследования. Восемь лет спустя, Лоуренс А. Хайленд в Морской исследовательской лаборатории (NRL - Naval Research Laboratory) наблюдал подобные эффекты замирания  от пролетающего воздушного судна, сделав заявку на патент, а также получив предложение на серьезные исследования в NRL (Тейлор и Янг к тому времени уже работали в этой лаборатории) в области эхо-радиосигналов движущихся целей.

В течение 1920 года научно-исследовательские учреждения Великобритании добились многих достижений с использованием радиосвязи, в том числе в области зондирования ионосферы и обнаружения молний на больших расстояниях. Уотсон-Уотт стал экспертом по использованию радиопеленгации, частично входящей в серию его экспериментов по обнаружению молний. В рамках продолжающихся экспериментов, он попросил "новичка", Арнольда Фредерика Уилкинса найти приемник, подходящий для использования с коротковолновыми передатчиками. Уилкинс сделал обширное исследование имеющихся устройств, прежде чем выбрал модель приемника Министерства связи (GPO). В его руководстве по эксплуатации отмечалось, что при полете самолета происходит "замирание" (общий термин в то время для обозначения интерференции).

Перед началом Второй мировой войны, исследователи во Франции, Германии, Италии, Японии, Нидерландах, Советском Союзе, Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах, независимо друг от друга и в большой тайне, развивали технологии, которые привели к современной версии радара. Австралия, Канада, Новая Зеландия и Южная Африка последовали довоенным разработкам Великобритании, а в Венгрии подобные разработки велись во время войны.

Радары на истребителях

В 1934 году во Франции  после систематических исследований магнетрона с разрезным анодом, научно-исследовательский филиал Компании "Ведущая беспроволочная телеграфия"(CSF -  La Compagnie Generate de Telegraph Sans Fil), возглавляемый Морисом Понте и при участии Анри Гюттона, Сильвена Берлине и М. Югона, начал разрабатывать радиоаппаратуру для обнаружения препятствий, часть которой была установлена ​​на лайнере" Нормандия" в 1935 году.

В это же время, советский военный инженер П. К. Ощепков, в сотрудничестве с Ленинградским электрофизическим институтом, разработал экспериментальный аппарат «Рапид», способный обнаруживать воздушное судно в пределах 3 км от приемника. Советский союз создал своё первое массовое производство радиолокационных станций РУС-1 "Ревень" и РУС-2 "Редут" в 1939 году, но дальнейшее развитие замедлилось по причине ареста НКВД Ощепкова и его отправки в ГУЛАГ. В общей сложности только 607 образцов станции "Редут" было произведено во время войны. Первое в России авиарадиолокационное оборудование, Гнейс-2, введенное в эксплуатацию в июне 1943 года на истребителях Пе-2. Более 230 образцов станций Гнейс-2  было произведено в конце 1944 года. Французские и советские системы, однако, были разработаны на основе работы непрерывной волны и не могли достичь тех эксплуатационных качеств, которые были в конечном счете достигнуты современными радарами.

Когда появились первые радары?

РЛС

Полноценный радар развивался как импульсная система и первый такой элементарный аппарат был продемонстрирован в декабре 1934 года американцем Робертом М. Пейджем, работавшим в Военно-морской научно-исследовательской лаборатории. В следующем году армия Соединенных Штатов успешно испытала примитивный радар "земля-вода" для наведения на цель прожекторов береговых батарей в ночное время. За этим последовала импульсная система, продемонстрированная в мае 1935 года Рудольфом Кюнхольдом и фирмой GEMA  (рус. Общество электроакустических и механические устройств)в Германии, и ещё одна, продемонстрированная в июне 1935 года группой специалистов министерства авиации во главе с Робертом А. Уотсоном-Уаттом в Великобритании. Разработка радара значительно расширилась с 1 сентября 1936 года, когда Уотсон-Уатт стал суперинтендантом нового учреждения под управлением британского Министерства Авиации, - научно-исследовательской станции Бадси, расположенной в поместье Бадси, недалеко от Феликстоу, Суффолк. Результатом работы здесь стало проектирование и монтаж систем обнаружения воздушных судов и станции слежения под названием "Chain Home" вдоль берегов Восточной и Южной Англии во время начала Второй мировой войны в 1939 году. Эта система обеспечила жизненно важную предварительную информацию, которая помогла Королевским Военно-воздушным силам выиграть Битву за Британию.

В 1935 году Уотту было предложено вынести заключение о последних сообщениях об обладании Германией "луча смерти" на основе радиоизлучения, он передал этот запрос Уилкинсу. Уилкинс произвел множество расчетов, демонстрирующих невозможность создания такой системы в принципе. Когда Уотт спросил, что же тогда они могли сделать, Уилкинс напомнил о появившемся ранее сообщении о радиопомехах, вызываемых пролетавшими поблизости воздушными судами. Это привело к проведению эксперимента Девентри 26 февраля 1935 года. Используя мощный коротковолновой передатчик BBC (би-би-си) в качестве источника и приемник Министерства связи (GPO), расположенный в поле, в то время, как бомбардировщик пролетал вокруг участка. Когда польза от разработки стала очевидной, средства были немедленно выделены на разработку действующей системы. Команда Уатта получила на это устройство патент за номером GB593017.

Радар MAR I

Получив всю необходимую финансовую и техническую поддержку, команда разработала радиолокационные системы в 1935 году и начала их развертывание. К 1936 году, первые пять систем Chain Home (CH)  функционировали, и к 1940 году они были развернуты по всей Великобритании, включая Северную Ирландию. Даже по меркам той эпохи, CH была сырой; вместо того, чтобы излучать и принимать сигнал направленной антенной, система CH передавала сигнал,  охватывающий всю площадь перед ней, а затем использовался один из собственных радиопеленгаторов Уатта, чтобы определить направление возвращенных эхо-сигналов. Это означало, что передатчики CH должны были быть гораздо более мощными и иметь лучшие антенны, чем конкурирующие системы, но это делало возможным её быстрое внедрение с использованием существующих технологий.

В апрельском номере 1940 года журнала"Популярная наука" был приведен пример радиолокационного устройства на основе патента Уотсона-Уотта в статье о противовоздушной обороне. Кроме того, в конце 1941 года в "Популярной механике" была статья, в которой американский ученый размышлял о британской системе раннего предупреждения, развернутой на английском восточном побережье, и приблизился  в рассуждениях к тому, как она устроена и работает. Альфред Ли Лумис организовал лабораторию по изучению радиоизлучений в Кембридже, штат Массачусетс, которая разрабатывала эти технологии в 1941-45 годы. Позже, в 1943 году, Пейдж значительно улучшил радар с моноимпульсным режимом, который использовался в дальнейшем в течение многих лет в большинстве радаров.

Война ускорила исследования в области поиска лучшего разрешения, большей мобильности и больших возможностей для радаров, в том числе дополнительных навигационных систем, таких как "Гобой", используемого эскадрилью "Следопыт" (Pathfinder) Королевских ВВС.

Для чего используют радар?

Доплеровский радиолокатор

Информация, представляемая РЛС, включает в себя азимут и дальность (и, следовательно, положение) объекта относительно сканера радара. Таким образом, он используется во многих различных областях, где необходимость такого позиционирования имеет решающее значение. Изначально радар использовался в военных целях: для обнаружения воздушных, наземных и морских целей. Это применение эволюционировало в гражданскую область применения в авиации, судоходстве и наземном транспорте.

В авиации, самолеты оснащены радиолокационными устройствами, предупреждающими о воздушных судах или других препятствиях, находящихся на или приближающихся к курсу самолета, отображающими информацию о погоде, и предоставляющие точные данные о высоте над уровнем моря. Первым коммерческим устройством, установленным на борту воздушного судна, стала разработка лаборатории Белла 1938 года, установленная на некоторых самолетах компании United Air Lines . Такие самолеты могут приземляться в туман в аэропортах, оснащенных радиолокационным помощником наземных управляемых систем захода на посадку, в котором полет самолета наблюдается на экранах радаров во время передачи радистами посадочных направлений пилоту.

Морские радары используются для измерения азимута и расстояния до кораблей, чтобы предотвратить столкновения с другими судами, для навигации, и фиксации их положения в море, когда они находятся в пределах досягаемости от берега или других фиксированных ориентиров, таких как острова, буи и плавучие маяки. В порту или в гавани, радиолокационные системы обслуживания движения судов используются для контроля и управления движением судов в оживленных водах.

Метеорологи используют радар для мониторинга атмосферных осадков и ветра. Он стал основным инструментом для краткосрочного прогнозирования погоды и наблюдений за жесткими погодными явлениями, такими как грозы, торнадо, зимние штормы, видами осадков и т.д. Геологи используют специализированные, проникающие в недра земли, радары при создании карты состава земной коры. Полицейские используют радары для контроля скорости транспортных средств на дорогах. Меньшие радарные системы используются для обнаружения движения человека. Например, выявление форм дыхания для мониторинга сна и  обнаружение жестов рук и пальцев для взаимодействия с компьютером.

Принцип действия радара

Передатчик радара

Доплеровский радар

Радарная система имеет передатчик, который излучает радиоволны, называемые радарными сигналами в заданных направлениях. Когда они вступают в контакт с объектом, они, как правило, отражаются или рассеиваются во многих направлениях. Радарные сигналы отражаются особенно хорошо от материалов со значительной электропроводностью, особенно большинством металлов, морской водой и мокрой землей. Некоторые из них делают возможным использование радиолокационных высотомеров. Радарные сигналы, которые отражаются обратно к передатчику являются полезными (информативными), и они выполняют радиолокационную работу. Если объект движется в сторону передатчика или от него, появляется слабое соответствующее изменение частоты отраженных этим объектом радиоволн, вызванное эффектом Доплера.

Радиолокационные приемники, как правило, но не всегда, расположены в том же самом месте, что и передатчик. Несмотря на то, что отраженные сигналы, пойманные приемной антенной, как правило, очень слабые, они могут быть усилены с помощью электронных усилителей. Более сложные методы обработки сигналов также используются для того, чтобы восстановить полезные сигналы радара.

Слабое поглощение радиоволн средой, через которую они проходят, позволяет РЛС обнаруживать объекты на относительно больших расстояниях - диапазонах, на которых другие электромагнитные волны, такие как видимый свет, инфракрасный свет и ультрафиолетовый свет, слишком сильно ослабляются. Такие погодные явления, как туман, облака, дождь, падающий и мокрый снег, которые блокируют видимый свет, как правило, прозрачны для радиоволн. Некоторые радиочастоты, которые поглощаются или рассеиваются водяным паром, каплями дождя или атмосферными газами (особенно кислородом), пытаются не использовать при проектировании радиолокационных станций, кроме случаев, когда РЛС предназначена для их обнаружения.

Освещение от радиоволн

Радар полагается на собственное радиоизлучение, а не на свет от Солнца или Луны, и не на электромагнитные волны, излучаемые самими объектами, такие как инфракрасные волны (тепло). Этот процесс направления искусственных радиоволн в сторону объектов называется освещением, хотя радиоволны невидимы для человеческого глаза или оптических камер.

Отражение радиоволн

Радар дальнего радиуса

Если электромагнитные волны, проходящие через один материал, встречают другой материал, имеющий отличную от первого диэлектрическую проницаемость или магнитную проницаемость, то волны будут отражаться или рассеиваться от границы между материалами. Это означает, что твердое тело в воздухе или в вакууме, или при существенном различии атомной плотности между телом и той средой, что вокруг него, как правило, рассеивает радиоволны радар от своей поверхности. Это особенно верно для электропроводных материалов, таких как металл и углеродное волокно, что делает радиолокатор подходящим для обнаружения воздушных и морских судов. Радиопоглощающий материал, содержащий резистивные, а иногда и магнитные вещества, используется в военных транспортных средствах, чтобы уменьшить радиолокационное отражение. Эта способность является радиоэквивалентом неспособности в живописи увидеть глазами что-то имеющее темный цвет в ночное время.

Радиолокационные волны рассеиваются в различных направлениях, в зависимости от размера (длины волны) радиоволны и формы цели. Если длина волны значительно меньше, чем размер цели, волна будет отражаться по аналогии с тем, как свет отражается зеркалом. Если длина волны намного больше, чем размер цели, цель не может быть обнаружена из-за плохого отражения. Низкочастотные радарные технологии используют резонансы для обнаружения, а не для идентификации целей. Этот процесс объясняется рассеянием Рэлея, - эффектом, который создает голубое небо Земли и красные закаты. Когда две длины волны сравнимы, то могут возникать резонансы. Ранние радары использовали очень длинные длины волн, которые были больше, чем цели и, таким образом, получали смутный сигнал, в то время, как некоторые современные системы используют более короткие длины волн (в несколько сантиметров или меньше), которые могут отобразить объекты такие малые, как буханка хлеба.

Короткие радиоволны отражаются от кривых и углов подобно бликам от округленной части стакана. Наиболее светоотражающие мишени для коротких длин волн имеют прямые углы между отражающими поверхностями. Угловой отражатель состоит из трех плоских поверхностей, сходящихся как внутренний угол ящика. Эта структура будет отражать волны, входящие в её раскрытую часть, непосредственно обратно к источнику. Её обычно используют в качестве радиолокационных отражателей,  чтобы сделать труднообнаруживаемые объекты более легкими для обнаружения. Угловые отражатели на лодках, например, позволяют их обнаружить, чтобы избежать столкновения или во время спасательной операции. По тем же причинам, объекты, которые должны избегать обнаружения, не будут иметь внутренних углов или поверхностей и краев, перпендикулярных к возможным направлениям обнаружения, поэтому они выглядят "необычно" как самолет стелс . Эти меры предосторожности не полностью устраняют отражения по причине дифракции, особенно на более длинных волнах. Отрезки проволоки или полосы проводящего материала, имеющие размер в половину длины волны , такие как дипольные отражатели, легко отражают, но не направляют рассеянную ими энергию обратно к источнику. Степень отражения или рассеивания объектом радиоволн называется его эффективной площадью рассеяния (ЭПР - от англ. Radar cross-section (RCS).

Уравнение дальности радара

Мощность принимаемого отклика радиосигнала Pr задаётся уравнением :

 , где

Pt - мощность передатчика

Gt - коэффициент усиления передающей антенны

Ar - эффективная площадь (апертура) приемной антенны; Она также может быть выражена как  , где

λ - длина волны

Gr - коэффициент усиления приемной антенны

σ - эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе

F - коэффициент потерь при распространении сигнала

Rt - расстояние от передатчика до цели

Rr - расстояние от цели до приемника.

В общем случае, когда передатчик и приемник расположены в одном и в том же месте, Rt = Rr и выражение Rt² Rr² может быть заменено на R^4, где R является расстоянием до цели. Это дает:


Это показывает, что мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до цели, что означает, что мощность сигнала, отраженного от удаленных объектов, относительно слаба.

Дополнительная фильтрация и интегрирование импульса слегка модифицирует уравнение радара для характеристик импульсного доплеровского радиолокатора, который может использоваться для увеличения дальности обнаружения и уменьшения мощности передатчика.

Представленное выше уравнение с F = 1 является упрощением для передачи в вакууме без помех. Коэффициент распространения учитывает эффекты многолучевого распространения и затенения и зависит от деталей среды. В реальной ситуации, эффекты затухания при распространении также должны учитываться.

Эффект доплера в радарах

Радарные допплеровские алгоритмы

Сдвиг частоты вызывается движением, которое изменяет число длин волн между отражателем и радаром. Это может ухудшать или улучшать эксплуатационные качества радара в зависимости от воздействия на процесс обнаружения. В качестве примера, индикация перемещения цели может подвергаться воздействию эффекта Доплера, которое может производить гашение сигнала при определенных радиальных скоростях, что ухудшает эффективность радара.

Морские радиолокационные системы, полуактивные радиолокационные системы наведения, активные радиолокационные системы наведения, погодный радар, РЛС военных самолетов, а также радиолокационная астрономия используют эффект Доплера для повышения производительности. Это позволяет получать информацию о скорости цели в процессе обнаружения. Это также позволяет обнаруживать небольшие объекты в среде, содержащей поблизости гораздо большие, но медленно движущиеся объекты.

Доплеровский сдвиг зависит от того, активной или пассивной является конфигурация радара. Активный радар передает сигнал, который отражается обратно к приемнику. Пассивный радар зависит от объекта, посылающего сигнал на приемник.

Доплеровский сдвиг частоты для активного радара выглядит следующим образом:

, где

Fd - доплеровская частота,

Скорость ветра

Ft - частота передаваемого сигнала,

Vr - радиальная скорость,

C -скорость света

Пассивный радар применяется в системах радиоэлектронного подавления и радиоастрономии следующим образом:


Только радиальная составляющая скорости является актуальной. Когда отражающая цель движется под прямым углом к ​​лучу локатора, она не имеет радиальной скорости относительно приемника. Транспортные средства и погодные явления, движущиеся параллельно радиолокационному лучу, создают максимальный доплеровский сдвиг частоты.

Когда происходит передача сигнала с частотой (Ft) импульсами, повторяющимися с частотой (Fr), результирующий частотный спектр будет содержать гармоники с частотами выше и ниже (Ft) на значение (Fr).

В результате чего, измерение Доплеровского смещения частоты только тогда является однозначным, если доплеровский сдвиг частоты меньше половины частоты (Fr), называемой частотой Найквиста, так как в противном случае частоту возвращаемого сигнала нельзя отличить от сдвига, вызванного частотой дискретизации сигнала, таким образом, требуется, чтобы:


Или при замене (Fd):


В качестве примера, погодный доплеровский радар с частотой следования 2 кГц  импульсов несущей частоты 1 ГГц может надежно измерить скорость перемещения погодных явлений максимум до 150 м/с (340 миль в час), таким образом, он не может надежно определить радиальную скорость самолета, летящего со скоростью  1000 м/с (2 200 миль / ч).

Поляризация радиоволн

Морской радар

Во всякой электромагнитной волне электрическое поле перпендикулярно направлению распространения волны и направление колебания вектора электрического поля называется поляризацией волны. Управляя поляризацией передаваемого сигнала радара, можно получать различные эффекты. Радары используют горизонтальную, вертикальную, линейную и круговую поляризацию для обнаружения различных типов отражающих сигнал объектов. Например, круговая поляризация используется, чтобы минимизировать помехи, вызванные дождем. Линейная поляризация отраженного сигнала обычно указывают на его отражение от металлических поверхностей. Поляризация случайного характера отраженного сигнала обычно указывает на фрактальные поверхности, такие как камни или почвы, это используется в навигационных РЛС.

Радиоволны и их распространение

Диапазон радиоволн

Излучение радара должно следовать по линейной траектории в вакууме, но в атмосфере оно распространяется по несколько изогнутой траектории из-за изменения показателя преломления воздуха, и это определяет радиолокационный горизонт. Даже когда волна излучается параллельно земле, она поднимется над её поверхностью за горизонтом в следствие кривизны Земли. Кроме того, сигнал ослабляется средой, через которую он проходит, и излучение рассеивается.

Максимальная дальность обнаружения обычного радара может быть ограничена целым рядом факторов:

  • Линия прямой видимости, которая зависит от высоты над уровнем земли. Это означает, что в отсутствие прямой видимости распространение луча блокируется.

  • Максимальное однозначно определенное расстояние определяется частотой повторения импульсов. Максимальное однозначно определенное расстояние - это расстояние, которое может пройти импульс до объекта и вернуться к приемнику до начала следующего переданного импульса.

  • Чувствительность радара и мощность отраженного сигнала вычисляются уравнением радара. В него включены такие факторы, как условия окружающей среды и размер (эффективная площадь рассеяния) цели.

Шумовой сигнал радара

Шумовой сигнал представляет собой внутренний источник случайных изменений в сигнале, которые генерируются всеми электронными компонентами.

Радар воздушного движения

Отраженные сигналы быстро затухают по мере увеличения расстояния, так что шум вводит ограничение на рабочую дальность радара. Минимальный уровень шума и отношение сигнал/шум - два разных показателя, которые влияют на дальность работы. Сигналы, от объектов, находящихся слишком далеко, настолько слабы, что они не превышают уровень шума и поэтому эти дальние объекты не могут быть обнаружены. Для обнаружения требуется сигнал, превышающий уровень шума, по крайней мере на отношение сигнал-шум.

Шум обычно представляет собой случайные изменения, наложенные на полезный эхо-сигнал, принимаемый приемником радара. Чем меньше мощность полезного сигнала, тем сложнее отличать его от шума. Коэффициент шума является мерой шума, производимого приемником по сравнению с идеальным приемником, и он должен быть сведен к минимуму.

Дробовой шум вызывается дискретностью носителей заряда (электронов) и переходом их через неоднородности проводящей среды, имеющие место во всех детекторах. Дробовой шум является доминирующим шумом в большинстве приемников. В них также присутствует фликкер-шум, вызванный транзитом электронов через усилительные устройства, который можно уменьшить с помощью гетеродинного усиления. Еще одной причиной для использования гетеродина является то, что для фиксированной относительной полосы пропускания, мгновенная полоса пропускания увеличивается линейно с ростом частоты. Это позволяет улучшить разрешение по дальности. Единственным заметным исключением гетеродинной обработки (конвертации) в радиолокационных системах является сверхширокополосный радар. Здесь используется одиночный импульс или переходной волновой процесс сходный с используемым в СШП-связи, см. Список СШП каналов.

Шумовой сигнал радара

Шум также генерируется внешними источниками, самым основным из которых является естественное тепловое фоновое излучение, окружающее интересуемую цель. В современных радиолокационных системах, уровень внутреннего шума, как правило, приблизительно равен или находится ниже уровня внешнего шума. Исключением является случай направления радара вверх на ясное небо, где "картинка" является настолько "холодной", что производит очень мало теплового шума. Тепловой шум определяется как kTB, где Т - температура, B - полоса пропускания (после прохождения сигнала через согласующий фильтр) и k - постоянная Больцмана. Существует привлекательная интуитивная интерпретация этого отношения в радаре. Согласующий фильтр позволяет всю энергия, полученную от цели, сжаты в один приемник (будь то диапазонный, доплеровский, высотный или азимутный приемник). При поверхностном рассмотрении казалось бы, что затем в течение фиксированного интервала времени можно было бы получить совершенное, без ошибок, обнаружение. Для этого нужно просто сжимать всю энергию в бесконечно малом временном интервале. Фактором, ограничивающим этот подход в реальном мире, является то, что, время может произвольно делится, а электрический ток - нет. Квантом электрического тока является электрон, и поэтому самое большое, что можно сделать, это сконцентрировать согласованным фильтром всю энергию в одном электроне. Так как движению электрона соответствует определенная температура (планковский спектр излучения), и этот источник шума не может быть ещё больше ослаблен. Итак, мы видим, что радар, как и все объекты макромира, подвержен глубокому влиянию квантовой теории.

Шум является случайным сигналом, а сигналы цели не являются таковыми . В обработке сигналов может использоваться это различие, чтобы уменьшить уровень шума, при этом используются две стратегии. Разные методы интегрирования сигнала, используемые при индикации движущихся целей, могут уменьшить уровень шума в  для каждого каскада. Сигнал также может быть разделен между несколькими фильтрами для обработки  импульсно-доплеровских сигналов, при этом снижается уровень шума благодаря количеству используемых фильтров. Эти улучшения зависят от согласованности.

Интерференция волн

Радиолокационные помехи

Радиолокационные системы должны подавлять нежелательные сигналы для того, чтобы сосредоточиться на целях, представляющих интерес. Эти нежелательные сигналы могут исходить от внутренних и внешних источников, как пассивных, так и активных. Способность радиолокационной системы подавлять эти нежелательные сигналы определяет её коэффициент сигнал-шум (SNR). SNR определяется как отношение мощности сигнала к мощности шума в пределах ожидаемого сигнала; он сравнивает уровень желаемого целевого сигнала с уровнем фонового шума (атмосферного шума и шума, генерируемого в приемнике). Чем выше SNR системы, тем лучше она различает фактические цели от шумовых помех.

Радиолокационные помехи

Под радиолокационной помехой подразумевают  радиочастотный (РЧ) сигнал, отраженный от целей, которые неинтересны операторам РЛС. Такие цели включают в себя природные объекты, такие как земля, море, осадки (дождь, снег или град), песчаные бури, животные (особенно птицы), атмосферная турбулентность и другие атмосферные воздействия, такие как ионосферные отражения, метеоры и  градовый шип. Помехи также могут возвращаться от искусственных объектов, таких как здания и от преднамеренных антирадарных объектов, таких как дипольные отражатели.

Радиолокационный эксперимент

Некоторый вид помех - загромождения, могут также вызваться длинным радиолокационным волноводом между приемопередатчиком РЛС и антенной. В типичном радаре с индикатором радиолокационных отметок (PPI) и вращающейся антенной этот вид помех, как правило, будет наблюдаться в виде "солнца" или "солнечных лучей" (sunburst) в центре дисплея, так как приемник реагирует на отражение сигнала от частиц пыли и ошибочные радиосигналы в волноводе. Подгонкой времени между моментом, когда передатчик посылает импульс и моментом, когда приемник включен, как правило, уменьшают эффект "солнца", не влияя на точность определения дальности, так как большинство "солнечных лучей" вызывается рассеянием передаваемого радиоимпульса, отражаемого ранее, чем он покидает антенну. Загромождения считаются пассивным источником помех, так как они появляются только в ответ на радиолокационные сигналы, посылаемые РЛС.

Обнаружение и нейтрализация помех осуществляется несколькими способами. Нагромождения имеют тенденцию застывать между радарными сканированиями; на последующих эхо-сигналах сканирования, желательные цели будут двигаться, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Помехи от морской поверхности могут быть уменьшены использованием горизонтальной поляризации, в то время как дождь снижается применением круговой поляризации (обратите внимание, что от метеорологических радиолокаторов ожидают противоположного эффекта, и поэтому используют линейную поляризацию для обнаружения осадков).  Увеличение отношения сигнал-помеха добиваются другими методами.

Помехи могут перемещаться с ветром или находится в неподвижном состоянии. Используются две общие стратегии для улучшения мер или производительности в помехообразующей среде:

  • Индикация движущейся цели, которая интегрирует последовательные импульсы и

  • Доплеровская обработка, которая использует фильтры для разделения помех от желаемых сигналов.

Радарная станция

Наиболее эффективным методом снижения помех является использование импульсно-доплеровского радиолокатора. Доплеровский радар отделяет помехи от самолетов и космических аппаратов, используя свойства частотного спектра, так что отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в одном и том же участке с использованием разностей скоростей. Это требует когерентного передатчика. Другой метод использует индикатор движущейся цели, который вычитает сигнал, получаемый от двух последовательных импульсов с использованием фазовой обработки для ослабления сигналов от медленно движущихся объектов. Этот метод может быть адаптирован для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, например, во временно-интервальной амплитудно-импульсной радиолокации.

Постоянная частота ложного срабатывания, форма автоматической регулировки усиления (АРУ), представляет собой метод, который опирается на том, что помехи возвращают большее число эхо-сигналов, чем цели, представляющие интерес. Коэффициент усиления приемника регулируется автоматически для поддержания постоянного  общего уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные под более заметные окружающие помехи, это действительно помогает различать заметные цели. В прошлом в радарах применялась АРУ с электронным управлением, и она влияла на усиление всего приемника радара. По мере развития радары АРУ  стала управляться программным обеспечением компьютера, и стала влиять на усиление с большей зернистостью в специфических ячейках обнаружения.

Старые радары

Помехи могут также исходить из многолучевого распространения отражения от действительных целей, вызванных отражением землей, атмосферными потоками или ионосферным отражением/преломлением (например, при аномальном распространении). Этот тип помех вызывает особое беспокойство, поскольку сигнал от них двигается и ведёт себя, как от других нормальных (точек) целей, представляющих интерес. В типичном сценарии, эхо-сигнал от воздушного судна, отраженный от земли, появляется в приемнике в качестве идентичной цели, расположенной ниже действительной. Радар может попытаться унифицировать цели, сообщив о цели на неправильной высоте, или устранить ее на основе дрожания или физической нереальности. Системы радиоподавления на основе ландшафтных отражений используют это свойство, усиливая сигнал радара и направляя его вниз. Эти проблемы могут быть преодолены путем включения наземной карты окружения радара и устранения всех эхо, которые, как представляется, возникают под землей или выше определенной высоты. Монопульс можно усовершенствовать путем изменения рельефного алгоритма, используемого при низкой высоте. В новейшем радиолокационном оборудовании управления воздушным движением используются алгоритмы выявления ложных целей путем сравнения текущих импульсов возврата со смежными, а также расчета возвратных неправдоподобий.

Радиоэлектронное подавление

Радиоэлектронное подавление радара относится к радиочастотным сигналам, происходящим из источников вне радара, передающимся на частоте радара и, таким образом, происходит маскировка цели, представляющей интерес. Помехи могут быть преднамеренными, создаваемыми в соответствии с тактикой радиоэлектронной борьбы, или непреднамеренными, создаваемыми действующим оборудованием дружественных сил, которое использует тот же частотный диапазон. Радиоэлектронное подавление считается активным источником помех, так как оно инициируется элементами вне радара и вообще не связано с сигналом подавляемого радиолокатора.

Радиоэлектронное подавление проблематично для радаров, так как подавляющему сигналу необходимо пройти только часть пути в одном направлении (от источника помех до приемника радара), тогда как радиолокационный сигнал совершает удвоенный путь (радар-цель-радар) и, следовательно, значительно снижается его мощность к тому времени, когда он возвращается в приемник радара. Поэтому системы радиоэлектронного подавления могут быть гораздо менее мощными, чем подавляемые ими радары, и при этом продолжать эффективно маскировать цели по линии прямой видимости от системы подавления к радиолокатору (подавление по основному лепестку диаграммы направленности). Системы радиоэлектронного подавления имеют дополнительный эффект влияющий на радары вдоль других линий видимости посредством боковых лепестков диаграммы направленности антенны приемника радара (подавление по боковым лепесткам диаграммы направленности).

Подавление по главному лепестку обычно может быть уменьшено только за счет сужения телесного угла главного лепестка и не может быть полностью устранено при прямой наводке антенны приемника на систему подавления, использующую ту же частоту и поляризацию, что и радар. Подавление по боковым лепесткам может быть преодолено за счет уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности антенны радара и использования всенаправленной антенны для обнаружения и игнорирования сигналов, не связанных с сигналами главного направления. Другим методом защиты от радиоэлектронного подавления является скачкообразная перестройка частоты и направлений поляризации.

Обработка радиолокационных сигналов

Способ измерения расстояния сигнала

Алгоритмы отслеживания

Один из способов измерения расстояния основан на измерении времени пролета: передается короткий радиоимпульс (электромагнитное излучение) и измеряется время, через которое отраженный сигнал возвращается к приемнику. Расстояние составляет половину произведения времени прохождения (потому что сигнал должен сначала достичь цели, а затем вернуться обратно к приемнику) на скорость сигнала. Так как радиоволны распространяются со скоростью света, точное измерение расстояния требует высокоскоростного электронного оборудования. В большинстве случаев, приемник не принимает отраженные импульсы в то время как передается сигнал. Благодаря использованию антенного переключателя, радар переключается между передачей и приемом с заранее установленной скоростью. Аналогичный эффект также накладывает ограничение на максимальную дальность обнаружения. Для того, чтобы максимально увеличить дальность, требуется использовать более длительное время между импульсами, называемое временем повторения импульсов, или частотой повторения импульсов.

Эти два эффекта, как правило, конфликтуют друг с другом, и поэтому не легко сочетать в одном сооружении и хороший ближний, и хороший дальний радары . Это объясняется тем, что короткие импульсы, необходимые для хорошего ближнего обнаружения обладают меньшей полной энергией, что делает отраженный сигнал гораздо слабее, и поэтому цель труднее обнаружить. Этот недостаток может быть компенсирован увеличением числа импульсов, но при этом сократится максимальный диапазон. Таким образом, каждый радар использует специфический тип сигнала. Дальние радары, как правило, используют длинные импульсы с длительными задержками между ними, а радары малой дальности используют короткие импульсы с меньшими промежутками времени между ними. С развитием электроники многие радары теперь могут изменять частоту повторения импульсов, тем самым изменяя свой диапазон определения дальности. Новейшие радары выпускают два импульса из одного элемента, один для ближнего определения расстоянии (около 10 км (6,2 миль)) и другой сигнал для дальнего радиуса действия (около 100 км (62 миль)).

Разрешение расстояния и уровень принимаемого сигнала относительно шума зависят от формы импульса. Импульс часто модулируется для достижения лучшей производительности с помощью метода, известного как сжатие импульсов.

Расстояние также может измеряться в единицах времени. Радиолокационная миля - это количество времени, которое требуется для прохождения радиоимпульсу одной морской мили, отразиться от цели, и вернуться обратно к радиолокационной антенне. Так как морская миля определяется как 1,852 м, то разделив это расстояние на скорости света (299792458 м / с), а затем умножив результат на 2 получим в результате продолжительность 12,36 мкс.

Частотная модуляция сигнала

Radar INVAP

Другой формой измерения расстояния радара основан на частотной модуляции. Сравнение частоты между двумя сигналами является значительно более точным методом, даже с использованием более старой электроники, чем измерение времени прохождения сигнала. Измеряя частоту отраженного сигнала и сравнивая её с частотой изначальной, можно легко измерить разницу между ними.

Этот метод может быть использован в радаре непрерывной волны и он часто применяется в  радарных высотомерах самолетов. В этих системах" несущий " радиолокационный сигнал модулируется предсказуемым образом, обычно изменяясь вверх и вниз со звуковой частотой по синусоидальному или пилообразному закону. Сигнал затем посылается из одной антенны, а принимается на другую, как правило, расположенную в нижней части летательного аппарата, и сигнал можно непрерывно сравнивать с помощью простого частотного модулятора, который выдает сигнал с частотой, являющейся разностью между частотами возвращенного сигнала и порции передаваемого сигнала.

Так как частота сигнала меняется, то к тому времени, когда сигнал возвращается к самолету частота передаваемого сигнала уже становится другой. Величина сдвига частоты используется для измерения расстояния.

Глубина модуляции принимаемого сигнала пропорциональна временной задержке между радаром и отражателем. Величина этого сдвига частоты становится больше с большей задержкой по времени. Мера количества частотного сдвига прямо пропорциональна расстоянию. Это расстояние может быть отображено на приборе, и информация о нем также может быть доступна через транспондер. Эта обработка сигнала аналогична той, которая используется для определения скорости доплеровского радара. Примерами систем, использующих такой подход, являются Azusa, MISTRAM и UDOP.

Еще одно преимущество состоит в том, что радар может эффективно работать на относительно низких частотах. Это было важно на раннем этапе развития этого типа, когда генерация высокочастотного сигнала была затруднительна или затратна.

Наземные РЛС используют частотно-модулированные сигналы (FM) с низким энергопотреблением, которые охватывают более широкий диапазон частот. Многочисленные отражения анализируются математически для изменения шаблона с множественными проходами, создавая компьютеризированное синтетическое изображение. Использование эффекта Доплера, позволяет обнаруживать медленно движущиеся объекты, а также в значительной степени устранять "шум", возникающий при отражении от поверхностей водоемов.

Способ измерения скорости сигнала

Радиолокационные станции в США

Скорость - это изменение расстояния до объекта по времени. Таким образом, ныне существующие системы для измерения расстояния комплектуются элементами памяти для запоминания предыдущего положения цели, что вполне достаточно для измерения скорости. В свое время в качестве памяти служили отметки карандашом, делаемые оператором на экране радара, по которым затем рассчитывалась скорость с использованием логарифмической линейки. Современные радиолокационные системы выполняют эквивалентные операции быстрее и точнее с помощью компьютеров.

Если выходной сигнал передатчика является когерентным (фазы синхронизированы), то используется ещё один эффект, чтобы сделать почти мгновенные измерения скорости (не требующие наличие памяти), известный как эффект Доплера. Большинство современных радиолокационных систем используют этот принцип в доплеровских РЛС и импульсно-доплеровских радиолокационных системах (метеорологические радиолокаторы, военные РЛС). С помощью эффекта Доплера можно определить только относительную скорость цели по линии прямой видимости от радара до цели. Любой компонент скорости цели, перпендикулярный к линии прямой видимости, не может быть определен с помощью одного только эффекта Доплера, но оно может быть определено путем отслеживания азимута цели в течение некоторого времени.

Можно сделать доплеровский радар без каких-либо пульсаций, известный как радар непрерывного излучения (CW radar), распространяющий очень чистый сигнал известной частоты. РЛС непрерывного излучения идеально подходит для определения радиальной составляющей скорости цели. РЛС непрерывного излучения, как правило, используется при контроле за соблюдением правил дорожного движения для быстрого и точного измерения скорости автомобиля, где измерение дальности не имеет значения.

При использовании импульсного радара изменение фазы последовательных возвратов дает расстояние, на которое цель переместилась между импульсами, и таким образом может быть рассчитана ее скорость. Другие математические достижения в обработки радиолокационного сигнала включают частотно-временной анализ (Вейля Гейзенберга или вейвлет), а также чирплет-преобразование, которое использует изменение частоты возвратов от движущихся целей ("щебет").

Импульсно-доплеровская обработка сигналов 

РЛС в Швейцарии

Импульсно-доплеровская обработка сигналов включает в себя фильтрацию частоты в процессе детектирования. Пространство между каждым переданным импульсом делится на элементы дальности или на селекторные импульсы дальности. Каждый элемент фильтруется независимо так же, как в процессе, используемом анализатором спектра для получения отображения различных частот. Каждое разное расстояние производит различный спектр. Эти спектры используются для выполнения процесса обнаружения. Это необходимо для достижения приемлемой производительности в неблагоприятных средах, связанных с погодой, рельефом местности и электронными мерами противодействия.

Основной задачей является измерение амплитуды и частоты совокупного отраженного сигнала на нескольких расстояниях. Это используется в погодном радаре для измерения радиальной скорости ветра и скорости осадков в каждом различном участке атмосферы и связано с вычислительными системами для составления электронной карты погоды в режиме реального времени. Безопасность полетов воздушных судов зависит от непрерывного доступа к точной информации, получаемой погодным радаром, который используется для предотвращения травм и аварий. Погодный радар использует низкую частоту повторения импульсов (PRF). Требования когерентности здесь не столь строгие, как требования к военным системам, поскольку отдельные сигналы обычно не требуют разделения. Метеолокаторам обычно требуется менее сложная фильтрация и обработка неоднозначности определения дальности по сравнению с военными РЛС, предназначенными для отслеживания воздушных транспортных средств.

Альтернативная задача "обнаружение и поражение целей в нижней полусфере" - способность, необходимая для улучшения военно-воздушной боевой живучести. Импульсно-доплеровские системы также используются для радиолокационного наземного наблюдения, необходимого для защиты персонала и транспортных средств. Импульсно-доплеровская обработка сигналов увеличивает максимальную дальность обнаружения, используя меньшую мощность излучения в непосредственной близости от воздушных судов, пилотов, обслуживающего персонала, пехоты и артиллерии. Отражения от рельефа местности, воды и погодных явлений производят большее количество сигналов, чем самолеты и ракеты, что позволяет быстро движущимся транспортным средствам скрытно пролетать на предельно малых высотах, используя стелс-технологии, чтобы избежать обнаружения до того момента, когда штурмовик выйдет на цель уничтожения. Импульсно-доплеровская обработка сигналов  включает в себя более сложную электронную фильтрацию, которая надежно устраняет этот вид уязвимости. Для этого требуется использование умеренной частоты повторения импульсов с использованием аппаратных средств с фазовой когерентностью , которая имеет большой динамический радиус действия. Военные приложения требуют средней частоты повторения импульсов (ПРФ), которая предотвращает прямое определение дальности, и для определения истинной дальности всех отраженных сигналов требуется обработка разрешения неоднозначности в определении дальности. Радиальное движение, как правило, связывается с частотой Доплера для фиксации сигналов, которые не могут быть произведены системами радиоэлектронного подавления. Импульсно-доплеровская обработка сигналов также производит звуковые сигналы, которые могут быть использованы для идентификации угроз.

Устранение пассивных помех

Обработка сигналов используется в радиолокационных системах для уменьшения влияния радиолокационных помех. Методы обработки сигналов включают в себя индикацию движущихся целей, импульсно-доплеровскую обработку сигналов, процессоры обнаружения движущейся цели, корреляцию с целями дополнительного обзорного радиолокатора, пространственно-временную адаптивную обработку и алгоритм track-before-detect (отслеживание до определения). Постоянная частота ложных сигналов и обработка цифровой модели местности также используются в условиях помехообразующей среды.

Системы отслеживания целей

Алгоритм отслеживания - это стратегия повышения производительности радара. Алгоритмы отслеживания позволяют прогнозировать будущее положение нескольких движущихся объектов на основе истории отдельных позиций, сообщаемых сенсорными системами.

История сканирования накапливается и используется для прогнозирования будущих позиций для использования в управлении воздушным движением, оценках угроз, в доктрине боевой системы, прицеливания оружия и ракетного наведения. Данные о местоположении накапливаются радарными датчиками в течение нескольких минут.

Существует четыре общих алгоритмов отслеживания.

  • Алгоритм ближайшего соседа

  • Алгоритм вероятностного объединения данных

  • Алгоритм отслеживания многих гипотез

  • Интерактивный многомодельный (ИММ) алгоритм

Сигналы радара, отраженные от самолета, могут быть подвергнуты процессу экстракции отметок цели посредством отброса паразитных и мешающих сигналов. Последовательность отраженных от цели сигналов может контролироваться с помощью устройства, известного как преобразователь радиолокационных данных в цифровой код.

Не соответствующие реальному времени отражения могут быть удалены из отображаемой информации, чтобы на дисплее отображалась только действительная цель. В некоторых радиолокационных системах, или в качестве альтернативы в системе управления и контроля, к которой подключен радар, и радиолокационное отслеживания  используется для связывания последовательностей отметок, относящихся к отдельным целям и оценочного определения курсов и скоростей целей.

Устройство радиолокационной станции

Компонентами радиолокационной станции являются:

  • Передатчик, который генерирует радиосигнал с помощью клистрона или магнетрона и контролирует его продолжительность с помощью модулятора.
  • Волновод, который связывает передатчик с антенной.
  • Дуплексор, который служит в качестве переключателя между антенной и передатчиком или антенной и приемником в зависимости от режима работы радара.
  • Приемник. Зная форму желаемого приемного сигнала (импульса), можно сконструировать оптимальный приемник с использованием согласующего фильтра.
  • Процессор дисплея для получения сигналов для устройств вывода, адаптированных для человеческого восприятия.
  • Электронный блок, который управляет всеми этими устройствами и антенной для выполнения радиолокационного сканирования по заданной программе.
  • Ссылка на конечные пользовательские устройства и дисплеи.

Конструкция антенны

Радиосигналы, передаваемые от простой антенны будут распространяться во всех направлениях, а также такая антенна будет принимать сигналы одинаково со всех сторон. Такая антенна делает проблематичным определение радаром местоположения цели.

Ранние системы, как правило, использовали всенаправленные передающие антенны и направленные приемные антенны, которые ориентировали в различных направлениях. Например, первая система, которая была развернута, Chain Home, использовала две стержневые антенны, скрещенные  под прямым углом для приема сигналов каждой на свой индикатор. Максимальный отраженный сигнал должен был обнаруживаться антенной, расположенной перпендикулярно к ​​цели, а минимальный - антенной, направленной своим концом на цель. Оператор мог определить направление на цель, вращая антенну таким образом, что один индикатор показывал максимум сигнала, в то время как другой показывал его минимум. Один серьезный недостаток такого типа конструкции заключался в том, что передача сигнала осуществлялась во всех направлениях, так что в нужном направлении передавалась только небольшая часть всей генерируемой энергии. Для того, чтобы передавать адекватную величину мощности в направлении «цели», передающая антенна должна быть также направленной.

Спутниковая тарелка

Более современные системы используют управляемую параболическую "тарелку" для создания плотного луча "освещения цели", обычно используя ту же тарелку, что и приемник. Такие системы часто объединяют две радиолокационные частоты в одну и ту же антенну для обеспечения автоматического управления направлением или отслеживанием цели радиолокатором.

Параболические отражатели могут быть либо симметричными параболами, либо искаженными параболами. Симметричные параболические антенны производят узкий "карандашный" луч в обоих X и Y измерениях и, следовательно, имеют более высокий коэффициент усиления. Импульсно-доплеровский метеорологический радиолокатор NEXRAD использует симметричную антенну для выполнения детальных объемных сканирований атмосферы. Искаженные параболические антенны производят узкий пучок в одном измерении и относительно широкий пучок в другой. Эта функция полезна, если обнаружение цели в широком диапазоне углов является более важным, чем её местоположение в трех измерениях. Большинство 2D радиолокаторов используют искаженную параболическую антенну с узким азимутальным лепестком и широким вертикальным лепестком. Такая конфигурация луча позволяет оператору радара обнаруживать воздушное судно в определенном азимуте, но на неопределенной высоте. С другой стороны, так называемые "кивающие" радары обнаружения высоты используют тарелку с узкой вертикальной шириной и широким в азимутальном направлении лучом для обнаружения воздушного судна на определенной высоте, но с низкой азимутальной точностью.

Сканирование в радиолокации

  • Первичное сканирование: техника сканирования, где основная антенна перемещается для получения пучка сканирования, примеры включают круговое сканирование, сканирование сектора и т.д.

  • Вторичное сканирование: техника сканирования, где питание антенны перемещается для получения пучка сканирования, примеры включают коническое сканирование, однонаправленное сканирование сектора, переключение лепестка и т.д.

  • Сканирование Палмера: метод сканирования, который производит сканирующий луч, перемещая основную антенну и ее питание. Сканирование Палмера представляет собой сочетание первичного сканирования и вторичного сканирования.

  • Коническое сканирование: Радиолокационный луч вращается в узком кругу вокруг оси "прицеливания", которая направлена ​​на цель.

Щелевые волноводные антенны

Применяемый аналогично параболическому отражателю, щелевой волновод перемещается механически для сканирования и особенно подходит для системы сканирования поверхности без отслеживания, где вертикальный рисунок может оставаться постоянным. Благодаря более низкой стоимости и меньшему воздействию ветра радары наблюдения на судах, поверхности аэропортов и гаваней теперь используют этот подход, предпочитая его параболической антенне.

Фазированная антенная решетка

Другой способ управления используется в РЛС с фазированной решеткой.

Фазированные антенные решетки (ФАР) состоят из равномерно расположенных подобных излучающих элементов, таких как обычные антенны или рядов щелевых волноводов. Каждый антенный элемент или группа излучающих элементов содержит дискретный фазовый сдвиг, который создает градиент фаз на решетке. Например, элементы решетки, продуцирующие фазовый сдвиг 5 градусов для каждой длины волны по грани решетки будет производить луч, направленный на 5 градусов в сторону от осевой линии, перпендикулярной к плоскости решетки. Сигналы, идущие по этому лучу, будут усилены. Сигналы, смещенные от луча, будут ослаблены. Количество излучающих элементов является коэффициентом усиления антенны. Значение периода решетки определяет степень подавления боковых лепестков диаграммы направленности.

Радары ФАР использовались на заре зарождения радаров во время Второй мировой войны (РЛС Mammut, Германия ), но ограниченные возможности электронных устройств тех лет были причиной их низкой эффективности. Радары ФАР первоначально использовались для противоракетной обороны (смотри, например, Программа Safeguard  («Мера предосторожности») ). Они являются сердцем корабельных систем Иджис и ракетной системы Patriot. Массивная избыточность, связанная с наличием большого количества элементов фазированной решетки, повышает надежность в случае постепенного снижения производительности, которое происходит в связи с выходом из строя отдельных элементов фазы. В меньшей степени, радары ФАР используются в в системе наблюдения за погодой . По состоянию на 2017 год, На­ци­о­наль­ное управление оке­а­ни­чес­ких и атмосферных ис­сле­до­ва­ний США планирует внедрить национальную сеть многофункциональных РЛС с фазированными решетками на всей территории США в течение 10 лет, для метеорологических исследований и мониторинга полетов.

Фазированная антенная решетка может быть построена в соответствии с конкретной конфигурацией, как для ракет, кораблей и самолетов, так и для средств поддержки пехоты.

По мере снижения цены на электронные компоненты, радары ФАР становились более распространенными. Почти все современные военные радарные системы основаны на фазированных антенных решетках, где небольшие дополнительные расходы компенсируются за счет повышения надежности системы без каких-либо движущихся частей. Традиционные конструкции с движущейся антенной до сих пор широко используется в службах, где стоимость является важным фактором (наблюдение за воздушным движением и другие подобные системы).

Радары ФАР неоценимо важны для использования в летательных аппаратах, так как они могут отслеживать несколько целей. Первый самолет использовавший радар ФАР был B-1B Lancer. Первый истребитель использовавший радар ФАР был МиГ-31.  В БРЛС-8Б «Заслон» (классификация НАТО -  «SBI-16» ), установленной на  MiG-31М, имеется пассивный радар ФАР с электронным сканированием, который считался самым мощным в мире радаром истребителя, пока система AN/APG-77 с  активной антенной решеткой с электронным сканированием не была установлена на F-22 Raptor  корпорации Lockheed Martin .

Фазированная интерферометрия или методы синтеза апертуры, используя массив отдельных параболических антенн, которые фазированы в единую эффективную апертуру, является не типичным для радаров применением, хотя и широко используется в радиоастрономии. Из-за проклятия разреженных антенных решеток такие множественные апертурные массивы при использовании в передатчиках приводят к сужению лучевого пучка за счет уменьшения общей мощности, передаваемой цели. В принципе, такие методы могут повысить пространственное разрешение, но уменьшение мощности означает, что это, как правило, не эффективно.

Синтез апертуры с обработкой данных,  поступающих от отдельно движущегося источника , с другой стороны, широко используется в космических и бортовых радиолокационных системах.

Диапазон частот антенны

Традиционные названия частотных диапазонов возникли как кодовые имена во время Второй мировой войны и до сих пор используются во всем мире в военном деле и авиации. Они были приняты в Соединенных Штатах Институтом инженеров электротехники и электроники и на международном уровне Международным союзом электросвязи. В большинстве стран существуют дополнительные правила контроля за тем, какие области радиодиапазонов отведены для гражданского или военного назначения.

Другие пользователи радиочастотного спектра, такие, как отрасли радиовещания и электронных средств противодействия, заменили традиционные военные обозначения собственными системами обозначений.

Модулятор антенного сигнала

Модуляторы формируют волновой пакет ВЧ-импульса. Существуют две различные конструкции радарных модуляторов:

Некогерентные генераторы мощности, подключаемые высоковольтными переключателями. Эти модуляторы состоят из генератора импульсов высокого напряжения, создаваемого источником высокого напряжения, формирующей импульс сети, и переключателя высокого напряжения, такого как тиратрон. Они генерируют короткие импульсы мощности, чтобы питать, например, магнетрон - особый тип вакуумной трубки, который преобразует постоянный ток (обычно пульсирующий) в микроволны. Эта технология известна как технология импульсной мощности. Таким образом, передаваемый импульс РЧ-излучения имеет определенную и, как правило, очень короткую длительность.

Гибридные смесители, питаемые генератором сигналов и возбудителем сложной, но когерентной формы сигнала. Эта форма волны может производиться входными сигналами низкой мощности/низкого напряжения. В этом случае радиолокационный передатчик должен быть усилителем мощности, например, клистронной трубкой или полупроводниковым передатчиком. Таким образом, передаваемый импульс является внутриимпульсно-модулированным, и приемник радара должен использовать методы сжатия импульсов.

Радиолокационная охлаждающая жидкость

Когерентные микроволновые усилители, выдающие СВЧ-сигналы  с мощностью свыше 1000 Вт, такие как лампы бегущей волны и клистроны, требуют использования жидкого хладагента. Электронный пучок должен содержать в 5 и даже в 10 раз больше энергии, чем в выходном СВЧ-сигнале, и поэтому он может вырабатывать достаточное количество тепла для генерации плазмы. Эта плазма течет из коллектора к катоду. Та же магнитная фокусировка, которая направляет пучок электронов, вынуждает плазму сфокусироваться в линию электронного пучка, но при этом протекать в противоположном направлении. При этом происходит частотное модулирование, которое ухудшает производительность доплеровского радара. Чтобы не допустить этого, используются охлаждающие жидкости с минимальным давлением и скоростью потока, в этом качестве деионизированная вода обычно используется в наиболее высокомощных радиолокационных доплеровских системах.

Куланол (силикатный эфир) использовался в некоторых военных радарах в 1970-е годы. Однако, из-за его гигроскопичности происходит гидролиз и образование легковоспламеняющихся спиртов. Потеря самолета ВМС США в 1978 году была вызвана воспламенением силикатного эфира. Куланол также дорог и токсичен. В ВМС США разработали программу под названием Предотвращение загрязнений (ПЗ) для устранения или уменьшения объема и токсичности отходов, выбросов в атмосферу и в сточных водах, которая предусматривает сокращение использования куланола.

Закон о радарах

Радар (также: RADAR) определяется статьей 1.100 Регламента радиосвязи (РР) Международного Союза Электросвязи (МСЭ), как:

Система радиоопределения, основанная на сравнении эталонных сигналов с радиосигналами, отраженными или ретранслируемыми из места, подлежащего определению. Каждая система радиоопределения должна быть классифицирована службой радиосвязи, с которой она временно или постоянно взаимодействует. Характерным применением радара являются первичные и вторичные РЛС. Они могут применяться в радиолокационной или спутниковой радиолокационной службах.

Картинки