Диапазоны РЛС
Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в вакууме со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и подвижной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях.
Содержание
Диапазоны радиочастот и длин радиоволн
Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне от 3 кГц до 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения радиоволн. Так как большая часть диапазона лежит за границами волн, которые могут быть получены при механическом колебании, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.
Закон РФ «О связи» устанавливает следующие понятия, относящиеся к радиочастотам:
Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Регламентом радиосвязи Российской Федерации и международными соглашениями.
По регламенту Международного союза электросвязи радиоволны разделены на диапазоны границами от 0.3·10 N Гц до 3·10 N Гц шириной в одну декаду, где N — номер диапазона. Российский ГОСТ 24375−80 почти полностью повторяет эту классификацию.
Классификация ГОСТ 24375−80 не получила широкого распространения и в ряде случаев вступает в противоречие с национальными стандартами (ГОСТ) в области радиоэлектроники. Традиционные обозначения радиочастотных диапазонов на Западе сложились в ходе Второй мировой войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным стандартом ITU.
На практике [7] под низкочастотным диапазоном часто подразумевают диапазон звуковых частот, под высокочастотным — весь радиодиапазон, от 30 кГц и выше, в том числе, диапазон ВЧ. В отечественной литературе диапазоном СВЧ в широком смысле иногда называют диапазоны УВЧ, СВЧ и КВЧ (от 0.3 до 300 ГГц), на Западе этому соответствует широко распространённый термин микроволны.
Классификация по способу распространения
Прямые волны — радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного предмета к другому, например от одного космического аппарата к другому, в некоторых случаях, от земной станции к космическому аппарату и между атмосферными аппаратами или станциями. Для этих волн влиянием атмосферы, посторонних предметов и Земли можно пренебречь.
Земные или поверхностные — радиоволны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции. Способность волны огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, как известно, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий: чем меньше длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазона УВЧ и более высокочастотных диапазонов очень слабо дифрагируют на поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости (прямые волны).
Тропосферные — радиоволны диапазонов ОВЧ и УВЧ, распространяющиеся за счёт рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км.
Ионосферные или пространственные — радиоволны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счёт однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.
Направляемые — радиоволны, распространяющиеся в направляющих системах (радиоволноводах).
Примеры
Примеры выделенных радиодиапазонов
Диапазоны радиочастот в гражданской радиосвязи
В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот:
Источник
Радары на борту
Мы попытаемся ответить на самые распространенные вопросы о работе РЛС на борту и рассказать, как создавались первые радары и чем смогут удивить перспективные радиолокационные станции.
1. Когда появились первые радары на борту?
К идее использования радиолокационных средств на самолетах пришли несколько лет спустя после того, как появились первые наземные РЛС. У нас в стране прототипом первой БРЛС стала наземная станция «Редут».
Одной из основных проблем стало размещение аппаратуры на самолете – комплект станции с источниками питания и кабелями весил примерно 500 кг. На одноместном истребителе того времени установить такую аппаратуру было нереально, поэтому станцию было решено разместить на двухместном Пе-2.
Первая отечественная бортовая радиолокационная станция под названием «Гнейс-2» была принята на вооружение в 1942 году. В течение двух лет было выпущено более 230 станций «Гнейс-2». А в победном 1945 году «Фазотрон-НИИР», ныне входящий в КРЭТ, начал серийный выпуск самолетной радиолокационной станции «Гнейс-5с». Дальность обнаружения цели достигала 7 км.
За рубежом первая авиационная РЛС «AI Mark I» – британская – была передана на вооружение немного раньше, в 1939 году. Из-за большого веса ее устанавливали на тяжелые истребители-перехватчики Bristol Beaufighter. В 1940 году на вооружение поступила новая модель – «AI Mark IV». Она обеспечивала обнаружение целей на дальности до 5,5 км.
2. Из чего состоит бортовая РЛС?
Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съемных блоков, расположенных в носовой части самолета: передатчика, антенной системы, приемника, процессора обработки данных, программируемого процессора сигналов, пультов и органов управления и индикации.
Сегодня практически у всех бортовых РЛС антенная система представляет собой плоскую щелевую антенную решетку, антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку.
Современные БРЛС работают в диапазоне различных частот и позволяют обнаруживать воздушные цели с ЭПР (Эффективная площадь рассеяния) в один квадратный метр на дальности в сотни километров, а также обеспечивают сопровождение на проходе десятки целей.
Сегодня на современных истребителях используются импульсно-доплеровские РЛС. В самом названии описан принцип действия такой радиолокационной станции.
Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками – импульсами. В сегодняшних локаторах посылка импульса длится всего лишь несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами – несколько сотых или тысячных долей секунды.
Встретив на пути своего распространения какое-либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и отражаются от него обратно к радиолокационной станции. При этом, передатчик радара автоматически выключается, и начинает работать радиоприемник.
Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов. Например, для бортовых РЛС проблема в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолета. Эти помехи устраняют, используя эффект Доплера, согласно которому частота волны, отраженной от приближающегося объекта, увеличивается, а от уходящего объекта – уменьшается.
4. Что означают Х, К, Ка и Кu диапазоны в характеристиках РЛС?
Сегодня диапазон длин волн, в котором работают бортовые радиолокационные станции чрезвычайно широк. В характеристиках РЛС диапазон станции указывается латинскими буквами, к примеру, Х, К, Ка или Кu.
Например, РЛС «Ирбис» с пассивной фазированной антенной решеткой, установленная на истребителе Су-35, работает в X-диапазоне. При этом дальность обнаружения воздушных целей «Ирбиса» достигает 400 км.
X-диапазон широко используется в радиолокации. Он простирается от 8 до 12 ГГц электромагнитного спектра, то есть это длины волн от 3,75 до 2,5 см. Почему он назван именно так? Есть версия, что во время Второй Мировой войны диапазон был засекречен и поэтому получил название X-диапазона.
Все названия диапазонов с латинской буквой К в названии имеют менее загадочное происхождение – от немецкого слова kurz («короткий»). Этот диапазон соответствует длинам волн от 1,67 до 1,13 см. В сочетании с английскими словами above и under, свои названия получили диапазоны Ka и Ku, соответственно находящиеся «над» и «под» K-диапазоном.
Радары Ka-диапазона способны работать на коротких расстояниях и производить измерения сверхвысокого разрешения. Такие радиолокаторы часто применяются для управления воздушным движением в аэропортах, где с помощью очень коротких импульсов – длиной в несколько наносекунд – определяется дистанция до самолета.
Часто Ка-диапазон используется в вертолетных радарах. Как известно, для размещения на вертолете антенна БРЛС должна иметь небольшие размеры. Учитывая этот факт, а также необходимость приемлемой разрешающей способности, применяется миллиметровый диапазон длин волн. К примеру, на боевом вертолете Ка-52 «Аллигатор» установлен радиолокационный комплекс «Арбалет», работающий в восьмимиллиметровом Ка-диапазоне. Этот радиолокатор разработки КРЭТ обеспечивает «Аллигатору» огромные возможности.
Таким образом, каждый диапазон имеет свои преимущества и в зависимости от условий размещения и задач, БРЛС работает в различных диапазонах частот. Например, получение высокой разрешающей способности в переднем секторе обзора реализует Ка-диапазон, а увеличение дальности действия БРЛС делает возможным Х-диапазон.
5. Что такое ФАР?
Очевидно, для того чтобы принимать и излучать сигналы, любому радару нужна антенна. Чтобы уместить ее в самолет, придумали специальные плоские антенные системы, а приемник и передатчик находятся за антенной. Чтобы увидеть разные цели радаром, антенну нужно двигать. Так как антенна радара достаточно массивная, двигается она медленно. При этом, становится проблематична одновременная атака нескольких целей, ведь радар с обычной антенной держит в «поле зрения» только одну цель.
Современная электроника позволила отказаться от такого механического сканирования в БРЛС. Устроено это следующим образом: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки. В каждой такой ячейке находится специальный прибор – фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу электромагнитной волны, которая попадает в ячейку. Обработанные сигналы из ячеек поступают на приемник. Именно так можно описать работу фазированной антенной решетки (ФАР).
А если точнее, подобная антенная решетка со множеством элементов-фазовращателей, но с одним приемником и одним передатчиком называется пассивной ФАР. Кстати, первый в мире истребитель, оснащенный радиолокатором с пассивной ФАР, – наш российский МиГ-31. На нем была установлена РЛС «Заслон» разработки НИИ приборостроения им. Тихомирова.
6. Для чего нужна АФАР?
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор – это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник.
Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.
Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.
Кстати, первую в России бортовую радиолокационную станцию с АФАР создали на предприятии КРЭТ, в корпорации «Фазотрон-НИИР».
7. Какая РЛС будет на истребителе пятого поколения ПАК ФА?
Среди перспективных разработок КРЭТ – конформные АФАР, которые смогут вписываться в фюзеляж летательного аппарата, а также так называемая «умная» обшивка планера. В истребителях следующего поколения, в том числе и ПАК ФА, она станет как бы единым приемо-передающим локатором, предоставляющим пилоту полную информацию о происходящем вокруг самолета.
Радиолокационная система ПАК ФА состоит из перспективной АФАР X-диапазона в носовом отсеке, двух радаров бокового обзора, а также АФАР L-диапазона вдоль закрылков.
Сегодня КРЭТ также работает над созданием радиофотонного радара для ПАК ФА. Концерн намерен создать натурный образец радиолокационной станции будущего до 2018 года.
Фотонные технологии позволят расширить возможности радара – снизить массу более чем вдвое, а разрешающую способность увеличить в десятки раз. Такие БРЛС с радиооптическими фазированными антенными решетками способны делать своеобразный «рентгеновский снимок» самолетов, находящихся на удалении более 500 километров, и давать их детализированное, объемное изображение. Эта технология позволяет заглянуть внутрь объекта, узнать, какую технику он несет, сколько людей в нем находится, и даже разглядеть их лица.
Источник
Диапазоны частот и длин волн
Спектр электромагнитных полн простирается до частот выше 10 24 Гц. Этот очень широкий сложный диапазон делится на поддиапазоны с различными физическими свойствами.
Разделение частот по поддиапазонам ранее выполнялось в соответствии с исторически сложившимися критериями и в настоящее время устарело. Это привело к возникновению современной классификации диапазонов частот, которая в настоящее время используется на международном уровне. Однако в литературе все еще можно встретить традиционно сложившиеся названия диапазонов частот.
На Рисунке 1 изображен диапазон частот, занятый электромагнитными волнами, и показано его деление на поддиапазоны.
Рисунок 1. Диапазоны частот и длин волн, используемые в радиолокации
Рисунок 1. Диапазоны частот и длин волн, используемые в радиолокации
Рисунок 1. Диапазоны частот и длин волн, используемые в радиолокации
Диапазоны и поддиапазоны частот называют заглавными буквами. Такой подход возник еще на заре радиолокации, когда точное значение рабочей частоты радиолокационного средства старались держать в тайне.
Рисунок 2. Некоторые радиолокаторы и их диапазоны частот
Рисунок 2. Некоторые радиолокаторы и их диапазоны частот
Рисунок 2. Некоторые радиолокаторы и их диапазоны частот
Радиолокационные системы работают в широком диапазоне излучаемых частот. Чем выше рабочая частота радиолокатора, тем сильнее влияют на распространение электромагнитных волн атмосферные явления, такие как дождь или облака. Но одновременно с этим на более высоких частотах достигается лучшая точность работы радиолокационного средства. На Рисунке 2 показаны диапазоны частот электромагнитных волн, используемые радиолокационными средствами.
А- и В-диапазоны (ВЧ и ОВЧ)
Однако, в последнее время, интерес к использованию этих диапазонов частот в радиолокации возвращается, поскольку на этих частотах технологии снижения радиолокационной заметности Stealth не обеспечивают требуемого эффекта.
С-диапазон (УВЧ)
Существует не так много радиолокационных систем, разработанных для этого частотного диапазона (от 300 МГц до 1 ГГц). Эти частоты хорошо подходят для радиолокационного обнаружения и сопровождения спутников и баллистических ракет на больших расстояниях. Радиолокаторы, работающие в этом диапазоне частот, используются для раннего обнаружения и предупреждения о целях как, например, обзорный радиолокатор в системе противовоздушной обороны средней дальности MEADS (Medium Extended Air Defense System). Некоторые метеорологические радиолокационные системы, например, предназначенные для построения профиля ветра, работают в этом диапазоне, поскольку распространение электромагнитных волн на таких частотах слабо зависит от облаков и дождя.
D-диапазон (L-диапазон)
Этот частотный диапазон (от 1 до 2 ГГц) является предпочтительным для работы радиолокаторов дальнего обнаружения с дальностью действия до 250 морских миль (около 400 километров). Они излучают импульсы высокой мощности с широким спектром и, зачастую, с внутриимпульсной модуляцией. Вследствие кривизны земной поверхности максимальная дальность обнаружения ограничена для целей, находящихся на малых высотах. Такие цели, по мере увеличения дальности, очень быстро исчезают за радиогоризонтом.
Если букву L подразумевать как первую в слове Large (большой), то обозначение L-диапазон является хорошей мнемонической рифмой для большого размера антенны или большой дальности действия.
E/F-диапазон (S-диапазон)
В этом диапазоне атмосферное ослабление выше, чем в D-диапазоне. Радиолокаторам, работающим в этом диапазоне, требуется значительно большая излучаемая мощность для того, чтобы достичь хороших значений максимальной дальности действия. В качестве примера можно привести радиолокатор средней мощности MPR (Medium Power Radar) с импульсной мощностью 20 МВт. В этом частотном диапазоне влияние погодных условий сильнее, чем в D-диапазоне. Поэтому несколько метеорологических радиолокаторов работают в E/F-диапазоне но, в основном, в тропических и субтропических климатических зонах, поскольку тут они могут «видеть» за пределами сильного шторма.
Специальные аэродромные обзорные радиолокаторы (Airport Surveillance Radar, ASR) используются в аэропортах для обнаружения и отображения положения самолетов в воздушном пространстве аэропортов, в среднем, на дальностях 50 … 60 морских миль (около 100 км). Аэродромные радиолокаторы определяют положение самолетов и погодные условия в районах как гражданских, так и военных аэродромов.
Обозначение S-диапазона ( Small, Short – малый, короткий), в противоположность обозначению L-диапазона, может трактоваться как обозначение меньших размеров антенн или меньшей дальности действия.
G-диапазон (С-диапазон)
I/J-диапазон (X- и Ku-диапазоны)
В этом диапазоне частот (от 8 до 12 ГГц) соотношение между используемой длиной волны и размером антенны существенно лучше, чем в диапазонах более низких частот. I/J-диапазон является сравнительно распространенным в военных применениях, таких как бортовые радиолокаторы, обеспечивающие функции перехвата воздушной цели и ведение огня по ней, а также атаки наземных целей. Очень малый размер антенны определяет хорошую применяемость. Системы наведения ракет в I/J-диапазоне имеют приемлемые размеры для комплексов, для которых важны мобильность и малый вес, а большая дальность действия не является основным требованием.
Этот диапазон частот широко используется в морских навигационных радиолокаторах как гражданского, так и военного применения. Небольшие и недорогие антенны с высокой скоростью вращения обеспечивают значительные максимальные дальности действия и хорошую точность. В таких радиолокаторах используются волноводно-щелевые и небольшие полосковые антенны, размещенные, как правило, под антенными обтекателями.
Специализированные радиолокаторы с обратной синтезированной апретурой (Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR) используются в морских воздушных средствах контроля загрязнения.
K-диапазон (K- и Ka-диапазоны)
V-диапазон
Вследствие явления рассеяния на молекулах (влияние влажности воздуха) затухание электромагнитных волн в этом диапазоне очень высокое. Радиолокационные применения здесь ограничены дальностью действия в несколько метров.
W-диапазон
В этом диапазоне наблюдаются два явления: максимальное затухание вблизи 75 ГГц и относительный минимум на частоте около 96 ГГц. Оба эти эффекта используются на практике. В автомобилестроении небольшие встроенные радиолокационные средства работают на частотах 75 … 76 ГГц в парковочных ассистентах, для просмотра слепых зон и ассистентах торможения. Высокое затухание (влияние молекул кислорода О2) снижает уровень помех от таких радиолокационных средств.
Радиолокационные установки, работающие на частотах от 96 до 98 ГГц, используются в качестве лабораторного оборудования. Они позволяют получить представление о применении радиолокации на чрезвычайно высоких частотах, таких как 100 ГГц.
В книге Merill Skolniks «Radar Handbook» (3-е издание) автор ссылается на более раннее стандартное буквенное обозначение IEEE для радиочастотных диапазонов (IEEE-Std. 521-2002). Эти буквенные обозначения (как показано на красной шкале на Рисунке 1) первоначально были выбраны для описания используемых диапазонов радиолокации еще во время Второй мировой войны. Но в настоящее время используемые частоты превышают 110 ГГц — сегодня существуют генераторы с фазовым управлением до 270 ГГц, мощные передатчики до 350 ГГц. Рано или поздно эти частоты будут использоваться и в интересах радиолокации. Одновременно с этим использование сверхширокополосных радиолокаторов выходит за границы традиционных радиолокационных диапазонов частот.
Различные обозначения радиолокационных диапазонов очень запутаны. Это не составляет трудностей для инженера или техника радиолокатора. Эти специалисты могут работать с различными диапазонами, частотами и длинами волн. Но они, как правило, не занимаются логистикой закупок, например, инструментов для обслуживания и измерения или даже нового радиолокатора целиком. К сожалению, менеджмент логистики, в основном, обучался бизнес-наукам. Поэтому у них будут возникать проблемы с запутанными обозначениями диапазонов. Теперь проблема состоит в том, чтобы утверждать, что генератор частоты для I и J-диапазона обслуживает радиолокатор X-диапазона и Ku-диапазона, а глушитель D-диапазона создает помехи для радиолокатора L-диапазона.
Сверхширокополосные радиолокаторы используют очень широкий частотный диапазон, выходящий за строгие границы классических диапазонов. Как лучше сказать: например, сверхширокополосный радиолокатор работает на частотах от E до H-диапазона, или он использует те же частоты от более высокого S-диапазона до более низкого X-диапазона?
Но пока производители будут называть предлагаемые радиолокационные средства с использованием старых обозначений диапазонов частот, до тех пор IEEE будет объявлять, что новые полосы частот: «… не согласуются с практикой радиолокации и не должны использоваться для описания радиолокационных частотных диапазонов». Я думаю, это всего лишь вопрос времени, и даже IEEE изменит свое мнение. Помните: не так давно метрическая система единиц измерения считалась неуместной в IEEE. И действительно, чтобы описать, какова длина мили, лучше сказать «одна миля», а не «1,853 километра». (Как жаль, что большинство людей в этом мире не знают, какова длина мили.)
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Источник
