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.