Радиолокационная станция: как развивалась новая система безопасности в России

Современные войны отличаются своей стремительностью и быстротечностью. Нередко победителями в боевых столкновениях выходят те, кто первыми смог обнаружить потенциальные угрозы и соответственно на них реагировал. Уже восьмой десяток лет для разведки и распознавания неприятеля на море и на суше, а также в воздушном пространстве используются радиолокационные методы.

Они основаны на излучении радиоволн с регистрацией их отражений от самых разнообразных объектов. Установки, которые посылают и принимают такие сигналы – современные радиолокационные станции или радары. Понятие «радар» происходит от английской аббревиатуры – RADAR. Оно появилось в 1941 году и давно вошло в языки мира.

Появление радаров стало знаковым событием. В современном мире практически не обойтись без радиолокационных станций. Без них не обходится авиация, мореплавание, гидрометцентр, ДПС, и пр. Более того радиолокационный комплекс широко используется в космических технологиях и в навигационных комплексах.

РЛС на военной службе

Все же больше всего радары приглянулись военным. Тем более, что эти технологии первоначально создавались для военного применения и практически реализовались перед Второй мировой войной. Все крупнейшие государства активно применяли РЛС для выявления кораблей и самолетов неприятеля. Причем их использование решало исход многих битв.

На сегодняшний день новые радиолокационные станции применяются в весьма широком спектре военных задач. Это и слежение за межконтинентальными баллистическими ракетами и артиллерийская разведка. Все самолеты, вертолеты, военные корабли обладают своими РЛС. Радары – это вообще основа систем ПВО.

С гарантией

Все принятые в последнее время на вооружение наших Воздушно-космических сил РЛС отличает помехоустойчивость и максимальная автоматизация всех процессов. Современные радары войск противовоздушной и противоракетной обороны ВКС России способны максимально эффективно мониторить воздушное пространство, отслеживая передвижение самолетов иностранных государств и пуски ракет противника.

Новейшие РЛС и зенитные ракетные системы ПВО полностью контролируют воздушную обстановку на всей территории нашей страны. Силы и средства системы противовоздушной обороны России многократно дублируют друг друга.

Никто и ничто в наше небо незаметно и безнаказанно не прокрадется. Заметят и собьют.

Как работают радиолокаторы

Локация – это определение местопребывания чего-нибудь. Таким образом, радиолокация – это обнаружение предметов или объектов в пространстве с помощью радиоволн, которые излучаются и принимаются радиолокатором или РЛС. Принцип действия первичных или пассивных радаров основан на передаче в пространство радиоволн, отражаемых от объектов и возвращаемых к ним в виде отраженных сигналов. После их анализа, радары обнаруживают объекты в определенных точках пространства, их основные характеристики в виде скорости, высоты и размера. Все радары являются сложными радиотехническими устройствами из множества элементов.

Классификация

Мобильная РЛС «Противник-ГЕ»

По сфере применения различают:

• военные РЛС;
• гражданские РЛС.

По назначению:

• РЛС обнаружения;
• РЛС управления и слежения;
• панорамные РЛС;
• РЛС бокового обзора;
• РЛС следования рельефу местности (terrain-following radar)
• метеорологические РЛС;
• РЛС целеуказания;
• РЛС контрбатарейной борьбы;
• навигационная РЛС, НРЛС:
• РЛС обзора обстановки.

По характеру носителя:

• береговые РЛС;
• морские РЛС;
• бортовые РЛС;
• мобильные РЛС.

По характеру принимаемого сигнала:

• первичные, или РЛС с пассивным ответом;
• вторичные, или РЛС с активным ответом;
• совмещённые.

По методу действия:

• надгоризонтный радиолокатор;
• загоризонтный радиолокатор.

По диапазону волн:

• метровые;
• дециметровые;
• сантиметровые;
• миллиметровые.

Современный радиолокационный комплекс

Любые радары состоят из трех основных элементов:

• Передатчиков сигналов;
• Антенн;
• Приемников.

Из всех радиолокационных станций имеется особенное подразделение по двум большим группам:

• Импульсные;
• Непрерывного действия.

Передатчики импульсных РЛС излучают электромагнитные волны на протяжении коротких промежутков времени (долей секунд). Следующие сигналы посылаются лишь тогда, как первые импульсы вернутся назад и попадут в приемники. Частоты повторения импульсов являются также важнейшими характеристиками. Так низкочастотными радиолокаторами посылается не одна сотня импульсов в течение минуты.

Антенны импульсных радаров работают как приемники-передатчики. Как только ушли сигналы, передатчики отключаются на время и включаются приемники. Вслед за их приемом происходят обратные процессы.

Импульсные радары обладают своими недостатками и преимуществами. Они могут определять дальности одновременно нескольких целей. Такие радары могут иметь по одной антенне, а их индикаторы весьма простые.

Однако излучаемые сигналы должны обладать большой мощностью. Импульсная схема имеется у всех современных радаров сопровождения. Импульсные радиолокационные станции в качестве источников сигналов обычно пользуются магнетронами или лампами бегущих волн.

Классификация

Выделяют два вида радиолокации:

• Пассивная радиолокация основана на приёме собственного излучения объекта;
• При активной радиолокации радар излучает свой собственный зондирующий сигнал и принимает его отражённым от цели. В зависимости от параметров принятого сигнала определяются характеристики цели.

Активная радиолокация бывает двух видов:

Активная радиолокация с пассивным ответом

• С активным ответом — на объекте предполагается наличие радиопередатчика (ответчика), который излучает радиоволны в ответ на принятый сигнал. Активный ответ применяется для опознавания объектов (свой-чужой), дистанционного управления, а также для получения от них дополнительной информации (например, количество топлива, тип объекта и т. д.);
• С пассивным ответом — запросный сигнал отражается от объекта и воспринимается в пункте приёма как ответный.

Для просмотра окружающего пространства РЛС использует различные способы обзора за счёт перемещения направленного луча антенны РЛС:

• круговой;
• секторный;
• обзор по винтовой линии;
• конический;
• по спирали;
• «V» обзор;
• линейный (самолёты ДРЛО типа Ан-71 и А-50 (Россия) или американские с системой Авакс).

В соответствии с видом излучения РЛС делятся на:

• РЛС непрерывного излучения;
• Импульсные РЛС.

Импульсные радарные системы

Антенны радаров фокусируют электромагнитные сигналы и направляют их, а также улавливают отраженные импульсы и передают его в приемники. В некоторых радиолокаторах прием-передача сигналов могут производиться с помощью разных антенн, находящихся одна от другой на больших расстояниях. Антенны радаров могут производить излучение электромагнитных волн по кругу или действовать в определенных секторах.

Лучи радаров могут быть направлены спирально или обладать формами конусов. При необходимости радары могут отслеживать движущиеся цели, и все время направлять на них антенны, используя специальные системы. Приемники занимаются обработкой полученных данных и передачей их на экраны операторов.

Одним из основных недостатков в работе импульсных радаров являются помехи, идущие от недвижимых объектов, от земной поверхности, гор, холмов. Так, бортовые импульсные радары в процессе их функционирования в самолетах будут принимать затенения от сигналов, отраженных земной поверхностью. Наземные или судовые радиолокационные комплексы выявляют эти проблемы в процессе обнаружения целей, которые летят на малых высотах. Для устранения таких помех пользуются эффектом Доплера.

Примечания

1. . TheFreeDictionary.com. Дата обращения 30 декабря 2015.
2. Translation Bureau.
   . Public Works and Government Services Canada (2013). Дата обращения 8 ноября 2013.
3. McGraw-Hill dictionary of scientific and technical terms / Daniel N. Lapedes, editor in chief. Lapedes, Daniel N. New York ; Montreal : McGraw-Hill, 1976. , 1634, A26 p.
4. , с. 13.
5. .
6. Angela Hind.
   . BBC News (5 февраля 2007).
7. ↑ .
8. ↑ Справочник по радиоэлектронным системам / под ред. Б. В. Кривицкого. — М.: Энергия, 1979. — Т. 2. — С. 75—206. — 368 с.
9. , с. 15—17.
10. Слюсар, В.И.

    .
    Разделы 9.3 – 9.8 в книге «Широкополосные беспроводные сети передачи информации». / Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. – М.: Техносфера. – 2005.
    C. 498 – 569 (2005).

    Читайте также:  Ядерная бомба – оружие, обладание которым, уже является сдерживающим фактором
11. Слюсар, В.И.

    .
    Электроника: наука, технология, бизнес. – 2001. – № 3.
    C. 42 – 46. (2001).

12. Слюсар, В.И.
    (недоступная ссылка).
    Специальная техника и вооружение. – Февраль, 2002. – № 1,2.
    С. 17 – 23. (2002). Дата обращения 7 августа 2022.
13. В. Г. Дождиков, Ю. С. Лифанов, М. И. Салтан ; под ред. В. Г. Дождикова.
    Энциклопедический словарь по радиоэлектронике, оптоэлектронике и гидроакустике / В. Г. Дождиков. — Москва: Энергия, 2008. — С. 600. — 611 с. — ISBN 978-5-98420-026-4 (В пер.).

Радары непрерывного действия

Радары непрерывного действия функционируют постоянным излучением электромагнитных волн и пользуются эффектом Доплера. Его принцип в том, что частоты электромагнитных волн, отраженные от объектов, приближающихся к источникам сигналов, будут выше, чем от удаляющихся объектов. При этом частоты излучаемых импульсов остаются неизменными. Такими радиолокаторами не фиксируются неподвижные объекты, их приемники улавливают только волны с частотами выше или ниже излучаемых.

Главный недостаток радаров непрерывного действия – это их неспособность определять расстояния до объектов. Однако при их работе не возникают помехи от неподвижных объектов между радарами и целями, либо за ними. Также у доплеровских радаров сравнительно простое устройство, которому для функционирования хватит и сигналов с малой мощностью. Кроме того, современные радиолокационные станции непрерывного излучения обладают возможностью определять расстояния до объектов. Для этого применяются изменения частот радаров в процессе их действия.

Известно еще и о так называемых вторичных радиолокаторах, используемых в авиации для опознавания самолетов. В таких радиолокационных комплексах имеются еще и самолетные ответчики. В ходе облучения воздушных судов электромагнитными сигналами ответчики выдают дополнительные данные, такие как высота, маршрут, номер борта, а также государственная принадлежность.

Принцип радиотелефонной связи

Первую передачу информации на расстоянии осуществил русский ученый Александр Степанович Попов (рис. 1).

Рис. 1. Александр Степанович Попов (Источник)

Для этой цели А.С. Попов использовал известную всем азбуку Морзе. Именно ему удалось осуществить радиосвязь, то есть передачу информации при помощи электромагнитных волн. Она заключалась в том, что при помощи точек и тире сообщалась некая информация.

Чем же отличается телефонная радиосвязь от радиосвязи?

Радиотелефонной связью мы называем передачу информации, речи, музыки на большие расстояния при помощи электромагнитных волн. Принцип радиотелефонной связи заключается в следующем: в передающей антенне создается высокочастотный переменный электрический ток, этот ток вокруг передающей антенны создает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Такая волна, попадая на приемную антенну, возбуждает в приемной антенне ток той же частоты, что и был произведен при излучении, и таким образом осуществляется радиосвязь, то есть при помощи электромагнитных волн. Для того чтобы обеспечить такую связь, нужны специальные устройства. Во времена А.С. Попова и Генриха Герца, который впервые осуществил излучение электромагнитной волны и ее прием, источники электромагнитных колебаний были очень слабы, и поэтому на большие расстояния электромагнитная волна распространяться не могла. Тем не менее А.С. Попову удалось осуществить связь на расстоянии более 70 километров.

В наше время радиосвязь осуществляется по всему земному шару, даже за его пределами. Вопрос с производством высокочастотных колебаний был решен в 1913 году, когда был создан генератор незатухающих электромагнитных колебаний (рис. 2).

Рис. 2. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний (Источник)

Главной частью генератора является трехэлектродная лампа – триод, которая состоит из трех частей: анод, сетка и катод. Вот такая лампа является основной частью любого генератора незатухающих колебаний.

Рассмотрим схему устройства передатчика электромагнитных волн или передающего устройства (рис. 3):

Рис. 3. Передатчик электромагнитных волн (Источник)

В первую очередь это генератор высокой частоты (ГВЧ), соединенный с модулятором (М), на который поступает звук от микрофона. В микрофоне механические колебания, звуковые колебания преобразуются в электрические колебания низкой частоты, и эти колебания от генератора высокой частоты и микрофона соединяются в модуляторе.

После усилителя (У) промодулированный сигнал поступает на передающую антенну, и уже этот сигнал выходит в эфир.

Слово «модуляция» означает «размеренность». Рассмотрим, как осуществляется модуляция в передающей части и из чего она состоит (рис. 4).

Рис. 4. Модуляция в передающей части (Источник)

На первой части рисунка изображены высокочастотные колебания, по вертикали расположено напряжение (U1), которое изменяется синусоидально и за очень маленький промежуток времени проходит очень много колебаний.

Вторая часть рисунка соответствует электрическим сигналам, которые поступают на модулятор от микрофона, это низкочастотные сигналы.

Когда в модуляции происходит объединение этих сигналов, мы наблюдаем высокочастотную составляющую, которая меняется по амплитуде в соответствии сигналам низких частот.

Этот процесс называется амплитудная модуляция.

Сегодня амплитудная модуляция – хорошо изученный и отработанный элемент, поэтому очень часто используется в радиосвязи, то есть когда мы слушаем радио, мы используем амплитудно-модулированный сигнал.

Существуют и другие способы модуляции: частотная модуляция или фазовая модуляция, они тоже нашли свое применение.

Из истории развития радиолокации

Замысел об использовании радиолокации возник следом за открытием радиоволн. Так, в 1905 году сотрудником компании Siemens Кристианом Хюльсмейером был создан прибор, который при помощи радиоволн мог обнаруживать наличие крупных металлических объектов. Изобретателем было предложено устанавливать такие приборы на судах во избежание столкновений, например, при туманах. Тем не менее, в судовых компаниях не была выражена заинтересованность в новом приборе.

Были проведены радиолокационные исследования и на территории России. Так, еще в конце XIX столетия русским ученым Поповым было обнаружено то, что наличие металлических объектов препятствует распространению радиоволн.

В начале двадцатых годов американскими инженерами Альбертом Тейлором и Лeo Янгом при помощи радиоволн был обнаружен проплывающий корабль. Тем не менее, из-за того, что радиотехническая промышленность той поры была неразвитой, создавать радиолокационные станции в промышленных масштабах не представлялось возможным.

К производству первых радиолокационных станций, с помощью которых решались бы практические задачи, приступили в Англии в 30-х годах. Эта аппаратура была чрезвычайно громоздкой и могла устанавливаться либо на земле, либо на больших кораблях. Лишь в 1937 году создали первый миниатюрный радар, который можно было бы устанавливать на самолетах. В результате, перед Второй мировой войной у англичан имелась развернутая сеть с радиолокационными станциями именуемая Chain Home.

Литература

• Поляков В. Т.
  Посвящение в радиоэлектронику. — М.: Радио и связь, 1988. — 352 с. — (МРБ. Выпуск 1123). — 900 000 экз. — ISBN 5-256-00077-2.
• Леонов А. И.
  Радиолокация в противоракетной обороне. — М.: Воениздат, 1967. — 136 с. — (Радиолокационная техника).
• Радиолокационные станции бокового обзора / Под редакцией А. П. Реутова. — М.: Советское радио, 1970. — 360 с. — 6700 экз.
• Радиолокационные станции воздушной разведки / Под редакцией Г. С. Кондратенкова. — М.: Воениздат, 1983. — 152 с. — 18 000 экз. — ISBN 200001705124.
• Мищенко Ю. А.
  Загоризонтная радиолокация. — М.: Воениздат, 1972. — 96 с. — (Радиолокационная техника).
• Бартон Д.
  Радиолокационные системы / Сокращённый перевод с английского под редакцией К. Н. Трофимова. — М.: Воениздат, 1967. — 480 с.
• Шембель Б. К.
  У истоков радиолокации в СССР. — М.: Советское радио, 1977. — 80 с.
• Водопьянов Ф. А. .
  Радиолокация. — М., 1946.
• Рыжов К. В.
  100 великих изобретений. — М.: Вече, 2009. — 480 с. — (100 великих). — ISBN 5-7838-0528-9.
• Bowen, Edward George.
  Radar Days. — CRC Press, 1998. — ISBN 9780750305860.
• Центральная радиолаборатория в Ленинграде // Под ред. И. В. Бренёва. — М.: Советское радио, 1973.
• Военно-исторический музей артиллерии, инженерных войск и войск связи. Коллекция документов генерал-лейтенанта М. М. Лобанова по истории развития радиолокационной техники. Ф. 52Р оп. № 13
• Лобанов М. М.
  Из прошлого радиолокации: Краткий очерк. — М.: Воениздат, 1969. — 212 с. — 6500 экз.
• Лобанов М. М.
  Мы —— военные инженеры. — М.: Воениздат, 1977. — 223 с.
• Лобанов М. М. Глава седьмая. О Совете по радиолокации при Государственном комитете обороны // Начало советской радиолокации. — М.: Советское радио, 1975. — 288 с.

Радары периода Холодной войны

Во времена Холодной войны в Соединенных Штатах и в Советском Союзе появилась новая разновидность разрушительного оружия. Конечно же, это было появление межконтинентальных баллистических ракет. Своевременное выявление пусков таких ракет было животрепещущим.

Советский ученый Николай Кабанов предложил идею использовать короткие радиоволны для выявления воздушных судов противника на значительных дистанциях (до 3000 км). Все было достаточно просто. Ученый смог обнаружить, что 10-100-метровые радиоволны имеют расположенность к отражению от ионосферы.

Таким образом, при облучении целей на земной поверхности, они возвращаются также обратно к радарам. Позднее, основываясь на этой идее, ученые смогли разработать радары с загоризонтным обнаружением пуска баллистических ракет. Образцом таких установок может быть «Дарьял» — радиолокационная станция. Она целые десятилетия была в основе советских систем по предупреждению запусков ракет.

На сегодняшний день самым перспективным направлением в развитии радиолокационных систем принято считать создание радиолокационных станций с фазированными антенными решетками (ФАР). Такие устройства обладают не одним, а сотнями излучателей радиоволн. Всем их функционированием руководят мощные компьютеры. Излучаемые с помощью разных источников в ФАР радиоволны могут усиливаться одна другой, или наоборот, когда они будут совпадать по фазе либо ослабляться.

Сигналам радиолокационных станций с фазированными решетками могут придаваться любые необходимые формы. Они могут перемещаться в пространстве при отсутствии изменений в положениях самих антенн, а также функционировать на разных частотах излучения. Радары с фазированными решетками считаются надежнее и чувствительнее, чем такие же устройства с обычными антеннами.

Тем не менее, подобные радары обладают и недостатками. Самыми большими проблемами в радиолокационных станциях с ФАР являются их системы охлаждения. Более того, такие радарные установки отличаются чрезвычайной сложностью в процессе производства, а также весьма дорогостоящие.

Эстафета переходит в Германию

В 1904 году немец Христиан Хюльсмейер запатентовал устройство под названием телемобилоскоп. Этот прибор предполагалось использовать в судоходстве для обнаружения кораблей в условиях плохой видимости. Телемобилескоп был построен на основе искрового генератора радиоволн и в своей последней версии мог находить суда на расстоянии до 3 км. Однако устройством не заинтересовались ни гражданские, ни военные, предпочитая по старинке пользоваться на судах паровыми ревунами. По сути прибор Хюльсмайера был еще не радаром, а радиодетектором. Существовавшие на тот момент технологии еще не позволяли построить полноценный радиолокатор.

Схема установки антенны радиолокатора «Зеетакт» на немецкой подводной лодке

В 1920-1930-е годы немецкие ученые и инженеры достигли больших успехов в развитии военной радиолокации. В 1935 году физик Рудольф Кунхольд из Института технологий связи германских ВМС представил радиолокационный прибор с электронно-лучевым дисплеем. К концу 1930-х на его основе были созданы оперативные радиолокаторы «Зеетакт» для флота и «Фрейя» для ПВО.

Однако, несмотря на значительные научные результаты, руководство Третьего рейха рассчитывало на блицкриг и не спешило развивать национальную сеть радаров, считая их преимущественно оборонительными средствами. К 1940 году Германия располагала лишь небольшой сетью станций дальнего обнаружения. И только к концу 1943 года территорию Германии полностью накрыли защитным радиолокационным «колпаком».