За­го­ри­зонт­ные РЛС, по­пыт­ка ин­жЫ­не­ра обьяс­нить слож­ное по про­сто­му. (часть пер­вая)

Пер­вая часть ста­тьи по­свя­щён­ная за­го­ри­зонт­ным ра­дио­ло­ка­ци­он­ным стан­ци­ям, кому ин­те­рес­но при­ят­но­го чте­ния.

ВВЕ­ДЕ­НИЕ В ТЕО­РИЮ

В про­шлой ста­тье тео­рию рас­про­стра­не­ния ра­дио­волн я упро­стил до пре­де­ла, неко­то­рые сочли это за мо­ве­тон и были пол­но­стью правы. По­это­му для на­ча­ла по­ста­ра­юсь крат­ко и мак­си­маль­но по­нят­но рас­ска­зать о том что это такое и с чем это едят. Для на­ча­ла, длина ра­дио­вол­ны и её ча­сто­та жёст­ко свя­за­ны. Эта связь мак­си­маль­но про­сто опи­сы­ва­ет­ся фор­му­лой: длин­на волны=ско­рость света/ча­сто­та (от­но­си­тель­ной маг­нит­ной про­ни­ца­е­мо­стью среды и про­чим пре­не­брёг со­зна­тель­но, буду де­лать это и в даль­ней­шем для упро­ще­ния по­ни­ма­ния ма­те­ри­а­ла, так что лю­би­те­ли точ­но­го ака­де­ми­че­ско­го зна­ния - бес па­ни­ки!). В про­шлой ста­тье де­ци­мет­ро­вые и сан­ти­мет­ро­вые волны я на­звал ко­рот­ки­ми и за­слу­же­но под­верг­ся кри­ти­ки за КВ диа­па­зон, хотя имел в виду немно­го дру­гое. Что бы убрать недо­по­ни­ма­ние при­во­жу опи­са­ние, где крат­ко и по­нят­но на­зва­ны диа­па­зо­ны и ха­рак­те­ри­сти­ки радио волн в их пре­де­лах (ака­де­ми­ки, ещё раз на­по­ми­наю! крат­ко, про­сто, по­нят­но), и ещё услов­ные обо­зна­че­ния ча­сто­та f - из­ме­ря­ет­ся в гер­цах, длина волны λ - из­ме­ря­ет­ся в мет­рах :

Сверх­длин­ные волны (СДВ диа­па­зон) — f = 3—30 кГц (λ = 10—100 км). Имеют свой­ство про­ни­кать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим при­ме­ня­ют­ся для связи с под­вод­ны­ми лод­ка­ми, при­чем, лодке не обя­за­тель­но всплы­вать на эту глу­би­ну, до­ста­точ­но вы­ки­нуть радио буй до этого уров­ня. Эти волны могут рас­про­стра­нять­ся вплоть до оги­ба­ния земли, рас­сто­я­ние между зем­ной по­верх­но­стью и ионо­сфе­рой, пред­став­ля­ет для них «вол­но­вод», по ко­то­ро­му они бес­пре­пят­ствен­но рас­про­стра­ня­ют­ся.

Длин­ные волны (ДВ) f = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). Этот тип ра­дио­вол­ны об­ла­да­ет свой­ством оги­бать пре­пят­ствия, ис­поль­зу­ет­ся для связи на боль­шие рас­сто­я­ния. Также об­ла­да­ет сла­бой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью, так что если у вас нет вы­нос­ной ан­тен­ны, вам вряд ли удаст­ся пой­мать какую-​либо ра­дио­стан­цию.

Сред­ние волны (СВ) f = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). Эти ра­дио­вол­ны хо­ро­шо от­ра­жа­ют­ся от ионо­сфе­ры, на­хо­дя­щей­ся на рас­сто­я­нии 100-450 км над по­верх­но­стью земли.Осо­бен­ность этих волн в том, что в днев­ное время они по­гло­ща­ют­ся ионо­сфе­рой и эф­фек­та от­ра­же­ния не про­ис­хо­дит. Этот эф­фект ис­поль­зу­ет­ся прак­ти­че­ски, для связи, обыч­но на несколь­ко сотен ки­ло­мет­ров в ноч­ное время.

Ко­рот­кие волны (КВ) f= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). По­доб­но сред­ним вол­нам, хо­ро­шо от­ра­жа­ют­ся от ионо­сфе­ры, но в от­ли­чии от них, не за­ви­си­мо от вре­ме­ни суток. Могут рас­про­стра­нять­ся на боль­шие рас­сто­я­ния (несколь­ко тысяч км) за счет пере от­ра­же­ний от ионо­сфе­ры и по­верх­но­сти земли, такое рас­про­стра­не­ние на­зы­ва­ют скач­ко­вым. Пе­ре­дат­чи­ков боль­шой мощ­но­сти для этого не тре­бу­ет­ся.

Уль­тра­ко­рот­кие Волны(УКВ) f = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). Эти волны могут оги­бать пре­пят­ствия раз­ме­ром в несколь­ко мет­ров, а также имеют хо­ро­шую про­ни­ка­ю­щую спо­соб­ность. За счет таких свойств, этот диа­па­зон ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для радио транс­ля­ций. Недо­стат­ком яв­ля­ет­ся их срав­ни­тель­но быст­рое за­ту­ха­ние при встре­че с пре­пят­стви­я­ми.

Даль­ше диа­па­зо­ны име­ну­ют­ся по ча­сто­там:

Уль­тра­вы­со­кие ча­сто­ты (УВЧ) f = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м). Не оги­ба­ют пре­пят­ствия и имеют хо­ро­шую про­ни­ка­ю­щую спо­соб­ность. Ис­поль­зу­ют­ся в сетях со­то­вой связи и wi-fi сетях.
Еще одной ин­те­рес­ной осо­бен­но­стью волн этого диа­па­зо­на, яв­ля­ет­ся то, что мо­ле­ку­лы воды, спо­соб­ны мак­си­маль­но по­гло­щать их энер­гию и пре­об­ра­зо­вы­вать ее в теп­ло­вую. Этот эф­фект ис­поль­зу­ет­ся в мик­ро­вол­но­вых печах.

Сверх­вы­со­кие ча­сто­ты (СВЧ) f  = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м). От­ра­жа­ют­ся прак­ти­че­ски всеми пре­пят­стви­я­ми, сво­бод­но про­ни­ка­ют через ионо­сфе­ру. За счет своих свойств ис­поль­зу­ют­ся в кос­ми­че­ской связи.

Крайне вы­со­кие ча­сто­ты (КВЧ) f  = 30 ГГц — 300 ГГц (λ = 10—1 мм). Прак­ти­че­ски то же самое что и СВЧ, Ис­поль­зу­ют­ся в кос­ми­че­ской связи, вы­со­ко­ско­рост­ной бес­про­вод­ной связи, ме­тео­ро­ло­ги­че­ских ра­да­рах и ме­ди­цине.

Так ос­нов­ное вроде ско­пи­па­стил пе­ре­чис­лил, вот вам кар­тин­ка для пе­ре­ды­ху от мно­же­ства букАв, на кар­тин­ке есть так на­зы­ва­е­мый зем­ной луч, о нём будет немно­го позже.

Кар­тин­ка с про­сто­ров гуг­ло­по­ис­ка.

От­дох­ну­ли? Те­перь снова за парту. Опять от­сыл­ка к про­шлой ста­тье, в ко­мен­тах раз­ве­ли срач по по­во­ду ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции ра­дио­волн. Если в двух сло­вах, ра­дио­вол­ны оги­ба­ют толь­ко те пред­ме­ты ко­то­рые мень­ше их длины, чем мень­ше длина волны тем мень­ше она рас­про­стра­ня­ет­ся за угол (ака­де­ми­ки, смот­ри­те выше). К при­ме­ру длин­ные волны (ДВ) в со­сто­я­нии оги­бать боль­шие пре­пят­ствия такие как горы, но не пол­но­стью, так как воз­мож­но об­ра­зо­ва­ния ра­дио­те­ни, если склон горы до­ста­точ­но кру­той. Вот при­мер на кар­тин­ке из учеб­ни­ка, где при­ём­ник "а" не смо­жет ни­че­го услы­шать, а при­ём­ник "б" в зоне при­ё­ма:

В КВ диа­па­зоне и выше по ча­сто­те (УКВ, УВЧ, СВЧ, КВЧ) кар­ти­на уже дру­гая, длина волн ста­но­вить­ся ко­ро­че и волны уже не могут оги­бать пре­пят­ствия. Сей­час ака­де­ми­ки снова под­ни­мут вой по по­во­ду ди­фрак­ции (оги­ба­ния), но штука в чём, на этих ча­сто­тах зна­че­ние ди­фрак­ции на­столь­ко мало что им можно пре­не­бре­гать, и чем ча­сто­та выше тем зна­че­ние мень­ше. По­это­му рас­про­стра­не­ние длин­ных ра­дио­волн боль­ше по­хо­же на рас­про­стра­не­ние звука, а рас­про­стра­не­ние ко­рот­ких волн ближе к рас­про­стра­не­нию света. Те­перь несколь­ко слов по по­во­ду ра­дио­го­ри­зон­та, неко­то­рым, судя по ко­мен­там, он при­чи­нил силь­ную боль ниже спины. По сколь­ку до­воль­но много людей слабо могут пред­став­лять вещи и про­цес­сы в трех­мер­ном (объ­ём­ном) виде, в моих опи­са­ни­ях земля не сфе­ри­че­ская, эл­лип­со­ид­ная и т.д., а круг­лая, да имен­но КРУГ­ЛАЯ, от слова круг!!! И ко­неч­но она ров­ная и глад­кая! Во кар­тин­ка из про­сто­ров гуг­ло­по­ис­ка, где земля круг­лая и где есть этот самый радио го­ри­зонт:

Ан­тен­на А имеет вы­со­ту h1, ан­тен­на В рас­по­ло­же­на на вы­со­те h2. Мак­си­маль­ную ди­стан­цию R на ко­то­рой они будут в зоне пря­мой ви­ди­мо­сти и пря­мую линию между ними не будет пре­граж­дать ров­ная и круг­лая земля

можно вы­счи­тать по фор­му­ле: . Вот по­че­му можно поль­зо­вать­ся ко­рот­ко­вол­но­вой свя­зью за пре­де­ла­ми обыч­но­го го­ри­зон­та, до­ста­точ­но под­нять по­вы­ше ан­тен­ну. Эту фор­му­лу можно ис­поль­зо­вать и для опре­де­ле­ния радио го­ри­зон­та РЛС, толь­ко вме­сто ан­тен­ны А при­ё­мо­пе­ре­да­ю­щая ан­тен­на РЛС, а вме­сто ан­тен­ны В воз­душ­ный объ­ект ко­то­рый дол­жен быть об­на­ру­жен РЛСкой. Если объ­ект летит на сверх малой вы­со­те, то можно узнать на какой ди­стан­ции его можно будет об­на­ру­жить. Это от­но­сить­ся к клас­си­че­ским видам ра­дио­ло­ка­ции.

КАК ЗА­ГЛЯ­НУТЬ ЗА ГО­РИ­ЗОНТ

За го­ри­зонт хо­ро­шо рас­про­стра­нять­ся, точ­нее оги­ба­ют землю, сверх длин­ные волны. Но для ра­дио­ло­ка­ции они не при­год­ны по несколь­ким при­чи­нам, из-за боль­шой длины они в со­сто­я­нии от­ра­жать­ся, и то не все­гда, толь­ко от ну очень боль­ших объ­ек­тов, для их из­лу­че­ния и при­ё­ма необ­хо­ди­мы ан­тен­ны огром­ных раз­ме­ров, в иде­а­ле не мень­ше 1/4 длины волны. То есть даже если по­стро­ить такую РЛС, она зай­мет пло­щадь го­ро­да сред­них раз­ме­ров, и с её по­мо­щью можно будет уви­деть (и то вряд­ли) новые горы, если про­то­Аме­рЫ­кан­цы за­хо­тят вы­рыть у себя чёр­ное море где-​нибудь в Те­ха­се. По­это­му для ра­дио­ло­ка­ции ис­поль­зу­ют волны мень­шей длины, длина ко­то­рых со­по­ста­ви­ма с объ­ек­та­ми ко­то­рые хотят об­на­ру­жить, есть ко­неч­но "сек­рет­ные" ри­ту­а­лы тан­цев с буб­на­ми ко­то­рые поз­во­ля­ют уви­деть объ­ек­ты мень­ших раз­ме­ров чем длина волны, но не о них речь. Есть два спо­со­ба за­гля­нуть за го­ри­зонт вол­на­ми не боль­шой длины. Пер­вый при по­мо­щи от­ра­же­ния КВ от ионо­сфе­ры, вто­рой при по­мо­щи по­верх­ност­ной элек­тро­маг­нит­ной волны (ПЭВ).

ОТ­РА­ЖЕ­НИЕ КВ ОТ ИОНО­СФЕ­РЫ 

Думаю не имеет смыс­ла объ­яс­нять по­че­му ионо­сфе­ра может от­ра­жать неко­то­рые типы волн, ко­пи­па­стить фи­зи­че­ские за­ко­ны до­воль­но скуч­но, кто за­хо­чет сам за­гуг­лит. А если в двух сло­вах и мак­си­маль­но про­сто, в ионо­сфе­ре до­ста­точ­но плаз­мы для от­ра­же­ния радио волн (ака­де­ми­ки, ну вы по­ня­ли). По­это­му при­мем как факт КВ могут от­ра­жать­ся как от земли, так и от ионо­сфе­ры. РЛС та­ко­го прин­ци­па ра­бо­ты из­лу­ча­ют узкий луч ра­дио­волн ко­то­рый от­ра­жа­ет­ся от ионо­сфе­ры и па­да­ет на землю, что поз­во­ля­ет уви­деть об­ста­нов­ку в том месте где луч до­стиг земли. Для уве­ли­че­ния даль­но­сти так же ис­поль­зу­ют много скач­ко­вый прин­цип, это когда луч не один раз от­ра­жа­ет­ся от ионо­сфе­ры и земли, что бы по­пасть в за­дан­ный район на дру­гой сто­роне зем­но­го круга. Недо­стат­ком та­ко­го прин­ци­па что эти РЛС имеют сле­пую зону в от­но­си­тель­но бли­зо­сти, она на­хо­дить­ся ниже радио го­ри­зон­та в том сек­то­ре куда нель­зя по­слать от­ра­жён­ный луч. При­мер на кар­тин­ке с про­сто­ров гуг­ло­по­ис­ка:

По по­во­ду сле­пой зоны, по­слать в неё от­ра­жён­ный сиг­нал нель­зя из-за того что от­ра­же­ние от ионо­сфе­ры про­ис­хо­дит толь­ко под опре­де­лён­ны­ми уг­ла­ми. Зна­че­ния этих углов за­ви­сят от со­сто­я­ния ионо­сфе­ры, ко­то­рое может ме­нять­ся в те­че­нии суток, по­это­му для ра­бо­ты ЗРЛС необ­хо­дим её по­сто­ян­ный кон­троль. Если луч по­па­дёт в ионо­сфе­ру под углом боль­ше необ­хо­ди­мо­го, он пе­ре­ло­мит­ся и уйдёт в кос­ми­че­ское про­стран­ство. При­мер на кар­тин­ке, луч под но­ме­ром 4 пе­ре­ло­мив­шись ушёл за пре­де­лы ионо­сфе­ры, а на при­ме­ре луча номер 1 видно много скач­ко­вое от­ра­же­ние:

Те­перь о прин­ци­пах об­на­ру­же­ния целей. Вме­сте с сиг­на­лом от цели воз­вра­ща­ет­ся и сиг­нал от земли под целью, это из-за того что луч под­све­чи­ва­ет цель свер­ху. Есть мно­же­ство раз­ных спо­со­бов как вы­де­лить от­ра­жён­ный сиг­нал от цели на фоне от­ра­жён­но­го от земли. Самый про­стой и на­вер­ное самый часто ис­поль­зу­е­мый это опре­де­ле­ние до­пле­ров­ско­го сме­ще­ния. Увы снова тео­рия, до­пле­ров­ский эф­фект, если в двух сло­вах, это когда волна от­ра­жа­ясь от дви­жу­ще­го­ся объ­ек­та ме­ня­ет свою ча­сто­ту, и чем боль­ше ско­рость объ­ек­та тем силь­нее ме­ня­ет­ся ча­сто­та. То есть ЗРЛС ста­ра­ет­ся при­нять не ровно тот сиг­нал ко­то­рый из­лу­чи­ла на опре­де­лён­ной ча­сто­те, а на­обо­рот не при­ни­ма­ет сиг­на­лы на этой ча­сто­те вни­ма­тель­но следя за сиг­на­ла­ми на близ­ких ча­сто­тах, ищет свои же сиг­на­лы но толь­ко те ко­то­рые из­ме­ни­лись каким либо об­ра­зом. Если со­всем уж по про­сто­му, крик­ну­ли в даль ко­до­вое слово муж­ским го­ло­сом, а эхо от­ве­ти­ло то же слово но толь­ко уже жен­ским го­ло­сом. Ещё один трюк поз­во­ля­ю­щий ви­деть цели на боль­шом рас­сто­я­нии, это когда РЛС из­лу­ча­ет два оди­на­ко­вых сиг­на­ла на раз­ных ча­сто­тах, то­есть ска­ни­ру­ет двумя лу­ча­ми ко­то­рые на­прав­ле­ны в один и тот же сек­тор зем­но­го круга. При­мер, две ла­зер­ных указ­ки одна си­не­го дру­гая крас­но­го цвета ко­то­рые мор­га­ют с оди­на­ко­вой ча­сто­той. Когда от цели при­хо­дят от­ра­жён­ные вме­сте с по­ме­ха­ми два сиг­на­ла на раз­ных ча­сто­тах но с оди­на­ко­вым сдви­гом по ча­сто­те, их пе­ре­мно­жа­ют между собой. Суть этого дей­ствия со­сто­ит в чём, оди­на­ко­вая по­ме­ха не может прий­ти на двух раз­ных ча­сто­тах, а вот сиг­на­лы на этих ча­сто­тах оди­на­ко­вы. После пе­ре­мно­же­ния оди­на­ко­вых сиг­на­лов и раз­ных помех, уро­вень сиг­на­ла ста­но­вить­ся выше помех и его проще об­на­ру­жить. В ра­дио­тех­ни­ке это на­зы­ва­ет­ся кор­ре­ля­ци­ей, опять же суть этого ме­то­да объ­яс­нил по­верх­ност­но и мак­си­маль­но про­сто. Кста­ти как раз из-за до­пле­ров­ско­го сме­ще­ния, такой тип РЛС видит толь­ко по­движ­ные цели.

По сколь­ку ста­тья вы­хо­дит слиш­ком объ­ём­ной решил её раз­бить на две части, так что про­дол­же­ние сле­ду­ет.

ПО­СЛЕ­СЛО­ВИЕ

По­вто­рюсь для ака­де­ми­ков, ста­рал­ся объ­яс­нить мак­си­маль­но по­нят­но, по­это­му мно­гие вещи упро­стил до непри­ли­чия или вовсе вы­ре­зал за нена­доб­но­стью. Гра­мар нации спе­ци­аль­но для вас про­ве­рил в двух ре­дак­то­рах и убрал все крас­ные под­чёр­ки­ва­ния, са­мо­му сле­дить за пра­виль­но­стью и чи­сто­той речи сил нету ибо мозги за­ня­ты дру­гим. Все осталь­ные, на­де­юсь вам было ин­те­рес­но и не скуч­но, кон­струк­тив­ная кри­ти­ка при­вет­ству­ет­ся, ну и ко­неч­но пи­ши­те в ко­мен­тах что ещё хо­те­ли бы узнать.