Электромагнитные волны различных диапазонов

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами . Радиоволны делятся на группы.

Наименование радиоволн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные	< 3∙10 4	> 10 000
Длинные	3∙10 4 – 3∙10 5	10000 – 1000
Средние	3∙10 5 – 3∙10 6	1000 – 100
Короткие	3∙10 6 – 3∙10 7	100 – 10
Ультракороткие:
метровые	3∙10 7 – 3∙10 8	10 – 1
дециметровые	3∙10 8 – 3∙10 9	1 – 0,1
сантиметровые	3∙10 9 – 3∙10 10	0,1 – 0,01
миллиметровые	3∙10 10 – 3∙10 11	0,01 – 0,001

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой . Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы. Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой лежит на высоте 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны.

Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. Различают слои ионосферы D, Е и F Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т.е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Тема: «Распространение радиоволн. Радиолокация. Понятие о телевидении. Развитие средств связи».

Цель: ознакомить учащихся со свойствами радиоволн различной длины и о развитии средств связи; объяснить принцип радиолокации и телевидения;

Формировать неформальные знания и умения в освоении понятий «радиолокация» и «телевидение»;

Воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики.

Оборудование: презентация «Понятие о телевидении».

Ход урока.

I.Организационный момент.

II. Актуализация знаний.

А). Беседа по вопросам.

1. Что такое электромагнитное поле?

2. Что называется электромагнитной волной?

3. Каковы основные характеристики электромагнитной волны?

4. Каково устройство и принцип действия вибратора Герца?

5. В чём состоит научное и практическое значение опыта Герца?

6. Рассказать о истории развития радио в России.

7. В чём значение опытов А.С. Попова?

8. Расскажите о назначении отдельных деталей приёмника

8. Какова роль Г.Маркони в развитии радиосвязи?

Б). Решение задач.

№1. Электромагнитная волна, с помощью которой передают сигнал бедствия SOS, имеет длину волны 600 м. Принята такая длина волны по международному соглашению. Найти на какой частоте передается этот сигнал.

№ 2. Радиоприемник в автомашине прекращает работу, когда она проезжает под мостом или эстакадой. Почему? (Происходит экранирование и частичное поглощение радиоволны).

№ 3. В приемном контуре колебательного контура включена катушка индуктивностью 2 мкГн.Найти электроемкость конденсатора, если радиоприемник принимает волны длиной 900 м.

№ 4. Подводные лодки, погружаясь на некоторую глубину, не могут пользоваться радиосвязью. Почему? (Морская вода, хороший проводник, она поглощает радиоволны)

III . Изучение нового материала

Распространение радиоволн

Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли. По нему распространяется так называемая поверхностная (земная) волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути.
Форма Земли ограничивает дальность приема поверхностных волн. Если бы они распространялись строго прямолинейно, то радиосвязь была бы возможна только на расстоянии прямой видимости. Но поскольку с высотой электрические и магнитные параметры атмосферы меняются, поверхностная волна преломляется, отклоняясь к Земле, ее траектория искривляется, и дальность приема увеличивается.
Препятствия на поверхности Земли отражают радиоволны. За препятствиями может образовываться радиотень, куда волна не попадает. Но если длина волны достаточно велика, то вследствие дифракции волна огибает препятствие и радиотень не образуется. Мощные радиостанции, работающие на длинных волнах, обеспечивают связь на несколько тысяч километров. На средних волнах связь возможна в зоне до несколько сотен километров. На коротких волнах - лишь в зоне прямой видимости. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли. На высоте порядка100-300 км волны встречаются со слоем, состоящем из воздуха, ионизированного электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, излучаемым им. Этот слой называют ионосферой.
Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны, большей 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года.
Волны после отражения в ионосфера вновь попадают на Землю. Однако все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И, наоборот, если угол меньше некоторой предельной величины, волна под тем же углом отражается к Земле. Чем меньше длина волны, тем глубже волна проникает в ионосферу, а значит, с большей высоты отражается. Короткие волны распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях на Земле. На распространение радиоволн влияют форма и физические свойства земной поверхности, а так же состояние атмосферы.

Классификация радиоволн:

Длинные, средние, короткие волны используются в телеграфии, радиовещании, телевидение, радиолокации и так далее.

Метровые и дециметровые волны используются для исследования свойств вещества.

Сантиметровые и миллиметровые волны получают в магнетронах, мазерах. Применяются в радиолокации, радиоастрономии и радиоспектроскопии.

Электромагнитные волны нашли применение в радиолокации, где используется явление отражения электромагнитных волн. Радиолокация – это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор состоит из приемной и передающей частей. Радиолокатор (радар) – это комбинация ультрокоротковолнового радиопередатчика и приёмника, имеющих общую приёмно-передающую антенну, создающую остронаправленный радиолуч. Излучение осуществляется короткими импульсами. В радиолокации используются волны сверхвысокой частоты – от 108 до 1011 Гц. Генератор, связанный с антенной излучают остронаправленную волну. Если длина волны 10 см, то радар имеет антенну в виде параболического зеркала. Если длина волны =1 м, то антенна радара имеет вид системы вибраторов. Отраженная волна принимается той же антенной, для этого она работает в импульсном режиме. Расстояние до объекта вычисляется по формуле:

R = с t/2 ; деление на 2, потому что волна идет до цели и обратно.

Применение радиолокационных установок:

Транспорт авиа, морской, железнодорожный, метеослужба, оборона Родины, астрономия. Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов по любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлёта и посадки самолётов. Военное дело: своевременное обнаружение самолётов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня. Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.

Аварийная радиоспасательная служба. Это совокупность искусственных спутников Земли, движущихся на круговых околополярных орбитах, наземных пунктов приёма информации и радиобуёв, устанавливаемых на самолётах, судах, а также переносимых альпинистами. При аварии радиобуй посылает сигнал, который принимается одним из спутников. ЭВМ, расположенная на нём, вычисляет координаты радиобуя и передаёт информацию в наземные пункты. Система создана в России (КОСПАС) и США, Канаде, Франции (САПСАТ). С её помощью удалось предотвратить гибель людей при авариях.

Зачем нужна связь?

Это способ общения людей, необходимое звено для ведения хозяйства любой страны.

Направления, по которым развиваются средства связи.

Телефонная связь. Сотовая связь. Радиосвязь. Телевизионная связь. Телеграфная связь. Космическая связь. Интернет. Фототелеграф. Видеотелефонная связь.

Области развития видов радиосвязи.

Радиовещание, телевидение, радиотелеграфия, радиотелефония.

Космическая связь.

Это обычная радиосвязь или лазерная связь с помощью, которых осуществляется связь между наземными приемно – передающими станциями и космическими аппаратами, или между несколькими наземными станциями через спутники связи или между космическими аппаратами.

Виды линии передачи радиоволн.

Линия, выполненная электрическим кабелем; двухпроводная линия; радиорелейная линия, волоконно – оптическая линия, лазерная связь.

Преимущества волоконно – оптической линии связи.

В настоящее время такие линии считаются самыми совершенными для передачи информации. В таких линиях используется эффект полного внутреннего отражения.

Большая пропускная способность, небольшие габариты и масса, отсутствие помех, малая стоимость – это не полный перечень достоинств таких линий.

Лазерная система связи.

РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СВЯЗИ

Современное общество не может развиваться без обмена информацией. Связь - это передача и прием информации с помощью различных методов. Одним из самых эффективных способов является передача информации с помощью электрических сигналов, т. е. электросвязь. Структура электросвязи фактически нам известна: передатчик сигнала – канал связи – приемник. Радиосвязь - частный случай электросвязи. В случае радиосвязи канал связи - это среда передачи электромагнитных волн.

Естественным спутником передачи сигнала являются помехи. Для исключения помех и для сохранения секретности информации применяют методы кодирования сигналов. Для передачи разных сигналов-сообщений необходимы разные полосы частот, т. е. свои каналы связи. Телефонные каналы работают в пределах от 300 до 3400 Гц, каналы звукового вещания - от 30 до 15 000 Гц, телевизионного вещания - от 50 Гц до 6 МГц. В одной линии может быть несколько каналов связи.

Совокупность различных свойств определяет длину радиоволны, используемую в конкретных системах связи. Однако влияние оказывают и не только чисто физические факторы. Так, в средней полосе России, где велика плотность населения, широкое распространение получили радиорелейные линии сантиметрового диапазона. Станции-ретрансляторы располагаются в пределах прямой видимости на расстоянии порядка 50 км и позволяют транслировать несколько телевизионных каналов и огромное количество телефонных. В районах Крайнего Севера, где плотность населения невелика, целесообразно применять радиорелейные линии дальнего тропосферного рассеивания, позволяющие ставить ретрансляторы на расстоянии 200 - 1000 км друг от друга. В то же время никакие волны, кроме мириаметровых, не смогут добраться до подводной лодки, лежащей на дне под многометровой толщей соленой воды, из-за сильного поглощения.

При передаче секретных сообщений интерес представляют метеорные линии связи. Ведь, отражаясь от конкретного метеорного следа, как солнечный зайчик от зеркала, волна попадает только в определенную точку, а сама передача информации происходит только во время существования этого метеорного следа.

Для передачи больших потоков информации (ТВ - каналы, сотни и тысячи телефонных, а также каналы передачи информации в цифровом виде) используются системы связи через искусственные спутники Земли, например, «Интелсат» (США), «Молния», «Орбита» (Россия). Широкое распространение в настоящее время получили системы сотовой телефонной связи, когда приемопередающие станции располагаются так, чтобы обеспечить стабильную связь с мобильными приемопередатчиками (сотовыми телефонами) на всей территории обслуживаемого района. Далее эти станции обеспечивают выход на проводную телефонную сеть, междугородную или международную.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

С помощью радиоволн можно передавать на расстояния не только звук, но и изображение. Без телевизионной связи сейчас трудно представить нашу цивилизацию. Практически в каждом доме имеется телевизор – источник информации. История создания телевизионного вещания началась в Х1Х веке. Само слово телевидение было введено русским инженером-электриком К. Д. Перским на международном конгрессе в 1900 году. Это слово произошло от греческого слова «теле», что означает «далеко», и латинского – «визо», что означает «смотреть». Возможность видеть события, происходящие в разных уголках земного шара и в нашей Солнечной системе, наблюдать за космическими объектами сделала телевидение незаменимым средством информации и культурного общения всех народов мира. Как же начиналось телевидение? В конце Х1Х века телевизионная лихорадка охватила всю планету. В патентные бюро поступили описания более двадцати пяти проектов – прообразов телевизионных систем. Наиболее интересная система механического телевидения была предложена немецким изобретателем Нипковым. Но механические системы были очень громоздкими. А теперешнее, электронное, телевидение родилось 25 июля 1907 года, когда профессор Петербургского университета Борис Львович Розинг подал заявку в патентные ведомства России, Англии и Германии на изобретенный им способ электрического воспроизведения изображения с помощью электронной развертки. 22 мая 1911 года Б. Л. Розинг впервые в мире демонстрирует изображение четырех параллельных линий, полученное с помощью немеханической приемной системы. Принципиальными особенностями по сравнению с радиосвязью являются: преобразование изображения в электрические сигналы и наоборот, преобразование электрических сигналов в видеоизображение. Это происходит в специальных устройствах: в первом случае – в иконоскопе, во втором случае – в кинескопе. В современных системах цветного телевидения это сложные радиоэлектронные устройства.

Иконоскоп устроен так. В вакуумном стеклянном баллоне укрепляется мозаичный экран- слюдяная пластинка, покрытая очень тонким слоем металла. Наружная поверхность этой пластинки представляет собой мозаику из сотен тысяч крошечных зерен серебра, обработанных парами цезия (множество миниатюрных фотоэлементов). С помощью объектива на мозаике фокусируется изображение предмета. Под действием света из фотоэлементов вследствие внешнего фотоэффекта выбиваются электроны, которые летят на заземленный электрод. Чем ярче свет, тем больше вылетает электронов, тем сильнее электрический импульс. Величина импульса, кроме того, зависит и от количества электронов, заполняющих ячейку. Для восполнения числа потерянных электронов служит электронный прожектор , тонкий луч которого с помощью отклоняющей системы обегает построчно всю мозаику и порождает в цепи переменный ток, который затем усиливается. В результате получается точная развернутая во времени электронная копия распределения света и тени на изображении. Этим током в передатчике модулируется электромагнитная волна, которая и излучается в пространство.

Преобразование электромагнитных волн, электрической энергии в световую энергию и, следовательно, в изображение происходит в приемной трубке телевизора - кинескопе.

Кинескоп представляет собой электронно-лучевой прибор для воспроизведения изображения. Черно-белый кинескоп состоит из вакуумного стеклянного баллона, электронного прожектора , создающего пучок электронов, отклоняющей системы и люминесцентного экрана. Отклоняющие системы бывают двух типов: электростатические и магнитные. В современных кинескопах чаще всего встречаются магнитные системы: электронный луч отклоняется под действием магнитного поля. Принятый антенной телевизионный сигнал преобразуется и подается на электрод. Люминофор светится тем сильнее, чем интенсивнее электронный луч, движение которого синхронизировано с движением электронного луча на передающей трубке. Таким образом, на экране кинескопа создается такое же изображение, как и на мозаике иконоскопа. Внимательно всмотритесь в изображение на телевизионном экране: оно состоит из большого количества горизонтальных линий - их называют строками. Каждый кадр содержит ровно 625 строк. За 1/25 долю секунды луч «прорисовывает» на экране 625 строк, затем процесс повторяется. За секунду кадры сменяются 25 раз! Точности ради отметим, что 625 строк луч рисует не подряд, а через строку: нечетные, а затем четные строки. Число строк и количество кадров в течение секунды выбраны не случайно. Здесь учтены два свойства нашего зрения: инерционность и разрешающая способность. Если бы телевизионные кадры сменялись реже 25 раз в секунду, то изображение на сетчатке исчезло бы раньше, чем на экране появлялся бы следующий кадр. Глаз стал бы фиксировать мелькания. Вы, наверное, видели, как смешно движутся люди в старых кинокартинах. Это объясняется тем, что число кадров в секунду в то время было слишком мало – 16 в секунду. При проектировании телевизоров расстояние между строками выбирают таким образом, чтобы сидящий на расстоянии 2 м от экрана человек не видел бы отдельных строк. Поскольку при этом весь кадр виден под углом около 10 0 , т. е. 600", а разрешающая способность глаза составляет 1", то строк должно быть более 600 (а их 625)

ЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

В вещательном цветном телевидении наиболее распространены так называемые масочные цветные кинескопы, в которых экран образован неразличимыми глазом узкими полосками или точками люминофоров - красного, зеленого и синего свечения. Три электронных прожектора формируют три сходящихся электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. Это обеспечивается пропусканием подходящих к экрану под различными углами пучков через цветоделительную маску со щелевыми или круглыми отверстиями.

Ощущение всей гаммы цветов обеспечивается сложением в глазу излучения трех люминофоров, возбуждаемых в различных пропорциях видеосигналами, и отражающими содержание синей, зеленой и красной составляющих изображения. Электронно-оптическая система цветного кинескопа сводит три пучка в одну точку.

IV. Закрепление изученного материала.

А). Фронтальная беседа.

1. Какое свойство электромагнитных волн используется в радиолокации?

2. Что называется радиолокацией?

3. Волны, какой длины используются радарами?

4. Для каких целей создают остронаправленную волну?

5. Чем отличается кинескоп от иконоскопа?

6. Назовите области применения радиолокации.

7. Как картинку передать на большое расстояние?

8. Как получают изображение на экране кинескопа?

9. Как в иконоскопе получают изображение и затем передают его в виде электромагнитных волн?

10. Зачем и каким образом, волне придают вид луча?

11. Как и с помощью чего радар усиливает принятую отраженную радиоволну?

12. Чем объясняется лучшая слышимость радиостанций зимой?

Б). Решение задач:

1.Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 200 Гц?

2. На каком расстоянии от радиолокатора находится самолет, если отраженный от него сигнал принят через 210 -4 с после посылки этого сигнала?

3.Определить период колебаний в колебательном в колебательном контуре, излучающем электромагнитные волны длиной 450 м.

4. Радиосигнал, посланный на Луну, отразился и был принят на Земле через 2,5с после посылки. Определить расстояние от Земли до Луны.

5. На какой частоте корабли передают сигналы бедствий SOS если по Международному соглашению длина волны равна 600 м?

6. Определить дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду.

7. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 300 метров за время, равное периоду звуковых колебаний с частотой 2 кГц?

1. 
   Определите дальность действия радиолокатора, излучающего 500 импульсов в секунду?
2. 
   Определите период и частоту радиопередатчика, работающего на волне длиной 30 м.
3. 
   Определите частоту и длину волны радиопередатчика, если период его электрических колебаний 10 -6 с.
4. 
   Сколько радиостанций может работать без помех в диапазоне длин волн 200-600 м, если каждой станции отводят полосу частот 4 кГц?

V. Подведение итогов урока.

VI. Домашнее задание: § 55 - 57.

Введение в радиолокацию.

Введение

Решение огромного количества задач с заданной эффективностью невозможно без использования радиолокационной техники, физические принципы действия которой основаны на рассеянии радиоволн объектами, метеообразованиями и другими неоднородностями (далее объектами), отличающимися своими электрическими характеристиками (электрической проницаемостью ε, диэлектрической проницаемостью μ и электропроводностью σ).

Интенсивность и другие неэнергетические характеристики рассеяния или отражения радиоволн (интенсивность вторичного поля) зависят:

От степени отличия характеристик облучаемых объектов и среды распространения радиоволн (РРВ),

От формы объектов,

Соотношения их размеров l и длины волны λ

От поляризации радиоволн.

Именно эти характеристики интересны с прикладной точки зрения.

Поэтому рассмотрение основных понятий, используемых в радиолокации, является весьма актуальным.

Для достижения поставленных целей рассмотрим следующие вопросы:

1. Физические основы радиолокации.

2. Системы координат, используемые в радиолокации.

3. Основные методы радиолокации.

Данный учебный материал можно найти в следующих источниках:

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. – М.:

Радиотехника, 2004.

2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные

устройства. – М.: Советское радио, 1975.

1. Физические основы радиолокации.

Радиолокация – это область радиоэлектроники, занимающаяся обнаружением объектов (целей), определением их пространственных координат, параметров движения и физических размеров с помощью радиотехнических средств и методов.

Перечисленные задачи решаются в процессе радиолокационного наблюдения, а устройства, предназначенные для этого, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами.

К радиолокационным целям (или просто целям) относятся: пилотируемые и беспилотные летательные аппараты (ЛА), естественные и искусственные космические тела, атмосферные образования, морские и речные корабли, различные наземные и подземные, надводные и подводные объекты и т.д.

Информация о целях содержится в радиолокационных сигналах.

В случае радиолокационного зондирования ЛА, прежде всего, необходимо получить информацию об их пространственных координатах (дальность до цели и ее угловые координаты).

Радиотехнические измерения дальности называются радиодальнометрией , а угловых координат - радиопеленгацией .

Измерению координат и скорости целей предшествует их обнаружение, разрешение и опознавание.

Под разрешением целей понимают определение количества целей в группе, их протяженности, класса и т. д.

Опознавание цели означает установление ее существенных признаков, в частности, государственной принадлежности.

Определение типа (класса) цели производится в процессе ее распознавания, что предполагает сложную обработку радиолокационных сигналов.

Совокупность сведений, получаемых радиолокационными средствами, называется радиолокационной информацией . Последняя передается на командные пункты, ПК и исполнительные устройства.

Из всех перечисленных функций радиолокации основной является радиолокационное наблюдение (обнаружение целей, измерение координат и параметров движения), а различение объектов, опознавание их и передача полученной радиолокационной информации по назначению относятся к дополнительным функциям PJIC.

Получение радиолокационной информации основывается на физических свойствах электромагнитных волн (ЭМВ), используемых в качестве носителей радиолокационного сигнала. Как известно, ЭМВ распространяются в однородной среде прямолинейно с постоянной скоростью

где ,- абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды РРВ.

Для свободного пространства Ф/м;Г/м и соответственном/с.

Постоянство вектора скорости распространения ЭМВ в однородной среде, т.е. его модуля и направления, служит физической основой радиолокационных измерений.

Действительно, благодаря этому дальность и время распространения радиоволны (РВ) связаны прямой пропорциональностью, и если измерено время прохождения волнымежду целью и РЛС, то становится известным и расстояние между ними:

Цель вносит неоднородность в свободнее пространство, так как ее параметры иотличаются соответственно оти, чем нарушается постоянство вектора скорости РРВ.

В результате объект преобразует радиоизлучение: часть энергии переотражается, часть – поглощается объектом, переходя в тепло, а другая часть при радиопрозрачности объекта – преломляется, изменяя направление РРВ. С точки зрения радиолокации интересен первый случай, когда цель становится источником вторичного излучения.

По времени запаздывания отраженного сигнала относительно излученного

определяем наклонную дальность цели

Возможно и такое решение: на цели, если она «своя», а не противника, устанавливается приемопередатчик, называемый ответчиком, или ретранслятором, который принимает зондирующий сигнал от РЛС и усиливает его для запуска передатчика. Ответный сигнал принимается на РЛС, и дальность цели определяется по формуле

, (1.5)

где - запаздывание ответного сигнала относительно зондирующего;-заранее известное время задержки сигнала в цепях ответчика.

Величина должна измеряться безынерционными электронными часами, так как время запаздывания радиолокационных сигналов очень мало (от микро- до миллисекунд).

Например, ЭМВ, отраженные от цели, расположенной на дальности D =150м от радиолокатора, запаздывают на 1 мкс, и каждому километру дальности до цели соответствует задержка ЭМВ на время 1000/150 = 6,7 мкс.

Допустим, радиолокационная антенна имеет вид прямолинейной решетки из р вибраторов, отстоящих один от другого на расстоянии d (рис. 1.1, а). Значительная удаленность цели от РЛС позволяет считать, что лучи, идущие отцели к вибраторам, направлены параллельно под углом φ к антенной решетке, а амплитуды электрических движущих сил (ЭДС), наводимых в отдельныхвибраторах, равны между собой: .

В этих условиях ЭДС соседних вибраторов отличаются только сдвигом по фазе ψ, вызванным разностью хода волн . Так как на каждую единицу длины данная бегущая волна отстает по фазе на угол, то

. (1.6)

Сложение векторов ЭДС вибраторов при различных углах ψ= ψ" (рис. 1.1, б) и ψ = ψ" (рис. 1.1, в) дает различную результирующую ЭДС . Как видно из рисунка 1.1 и формулы (1.6), с изменениемφ изменяется фаза ψ, а следовательно, и амплитуда результирующей ЭДС в приемной антенне. Отсюда вытекает возможность пеленгации цели по амплитудным и фазовым характеристикам направленности антенны.

Рис. 1.1. Прием ЭМВ линейной вибраторной антенной решеткой (а) и векторные диаграммы ЭДС решетки при различных направлениях облучения (б, в)

Как уже говорилось, первопричиной образования таких характеристик явилось различие в запаздывании волн, принимаемых отдельными элементами антенной решетки. Поэтому не только радиодальнометрия, но и радиопеленгация основана на постоянстве скорости и направления РРВ.

Радиальную и угловую скорости цели можно найти вычислением скорости приращения дальности и углов во времени. Обычно предпочитают более простую и точную операцию - непосредственное измерение так называемого допплеровского сдвига несущей частоты сигнала , вызванного движением цели.

Доплеровский сдвиг частоты связан с радиальной скоростью движения

объекта соотношением

, (1.7)

где – длина волны излучаемого сигнала;– радиальная скорость относительного движения цели.

Если цель приближается к РЛС или удаляется от нее, то отраженный сигнал появляется в РЛС соответственно раньше или позже, чем при неподвижной цели. За счет этого фаза принимаемой волны имеет другие значения,что равнозначно приращению частоты радиосигнала. Измерив полученное (допплеровское) приращение частоты, можно (опять же благодаря постоянству скорости РРВ) определить радиальную скорость цели.

Подобно тому, как разность времени запаздывания сигнала в элементах антенны определяется угловыми координатами цели, разность допплеровских сдвигов частот в тех же (обычно крайних) элементах антенной решетки определяется скоростью изменения углового положения цели.

Другими физическими свойствами ЭМВ являются:

Прямолинейность распространения в однородной среде, что важно приточном измерении угловых координат и параметров движения;

Способность формироваться в узкий пучок, повышая тем самым точность, разрешающую способность и помехоустойчивость РЛС;

Способность отражаться от объектов;

Способность изменять свою частоту при наличии относительного движения цели и РЛС.

Таким образом, в отраженных от целей радиолокационных сигналах заложена вся информация о них, так как при отражении изменяются все параметры сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза, длительность, спектр, поляризацияи т.д.).

Для проведения урока предлагается конспект, сопровождаемый мультимедийной презентацией, которая создана в программе MicrosoftPowerPoint.

Методическая цель - показать возможность использования мультимедийной презентации для проведения лекции по физике на примере темы « Распространение радиоволн. Радиолокация»

1. Восприятие и первичное закрепление нового учебного материала.
2. Ознакомить учащихся со свойствами радиоволн, объяснить принцип радиолокации и

применение.

1. Формирование навыков: анализировать информацию, работать с литературой.

2. Развитие мышления, концентрации внимания, познавательного интереса.

3. 3. Формирование научного мировоззрения.

Повторение:

Что такое электромагнитная волна?

Опишите процесс возникновения электромагнитной волны.

От чего зависит скорость электромагнитной волны?

Что является источником электромагнитных волн?

Что такое дифракция?

Изучение нового материала:

1. Радиосвязь.

2. Понятие об ионосфере.

3. Радиолокация.

4. Расчет пути пройденного Радиосвязь осуществляется на:

5. Длинных 10000 - 1000м радиоволнами.

6. Применение.

Средних 1000 - 100м

Коротких 100 - 10м

Ультракоротких меньше 10м волнах.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, и проникновения их в область за препятствия. Дифракция присуща волнам любой природы.

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ за счет дифракции распространяются далеко за пределами видимого горизонта; радиопередачи на длинных волнах можно принимать на больших расстояниях за пределами прямой видимости антенны.

СРЕДНИЕ ВОЛНЫ испытывают меньшую дифракцию у поверхности Земли и распространяются за счет дифракции на меньшее расстояние за пределы прямой видимости.

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ еще менее способны к дифракции у поверхности Земли, но их можно принимать в любой точке на поверхности Земли.

Распространение коротких радиоволн на большие расстояния от передающей радиостанции объясняется их способностью отражаться от и ИОНОСФЕРЫ.

ИОНОСФЕРОЙ называется верхняя часть атмосферы, начинающаяся с расстояния 50 км от поверхности Земли, и переходящая в межпланетную плазму на расстояниях 70 - 80 тыс.км.

ОСОБЕННОСТЬЮ ИОНОСФЕРЫ ЯВЛЯЕТСЯ ВЫСОКАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ В НЕЙ СВОБОДНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ- ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ.

Ионизация верхних слоев атмосферы создается ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца.

Максимальное значение количества Свободных электронов в ионосфере 2*10- 5*10

Электронов в кубическом сантиметре - достигается на высотах 250-400 км от поверхности Земли.

ПРВОДЯЩИЙ СЛОЙ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ - ИОНОСФЕРА - СПОСОБЕН ПОГЛОЩАТЬ И ОТРАЖАТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.

От ионосферы хорошо отражаются длинные радиоволны. Это явление наряду с дифракцией увеличивает дальность распространения длинных волн.

Хорошо отражаются ионосферой и короткие волны (радио)

Многократные отражения коротких радиоволн от ионосферы и земной поверхности делают возможность радиосвязь на коротких волнах между любыми точками на Земле.

Ультракороткие проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

ИТАК:

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ *скользят* вдоль поверхности Земли;

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли;

УЛЬТРОКОРОТКИЕ проникают сквозь ионосферу.

- РАДИОЛОКАЦИЯ -

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играют РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ.

Радиолокация - обнаружение и точное определение местонахождение объекта с помощью радиоволн.

В основе принципа радиолокации лежит свойство отражения электромагнитных волн.

Определение пути пройденного радиоволнами:

Если измерить с помощью электронной аппаратуры длительность промежутка времени t между моментами времени отправления и возвращения электромагнитных вол, можно определить путь, пройденный радиоволнами:

C - скорость электромагнитной волны

Так как волны прошли путь до тела и обратно, расстояние до тела, отражавшего радиоволны, равно половине этого пути:

Чтобы определить не только расстояние до тела, но и его положение в пространстве, необходимо посылать радиоволны узконаправленным пучком. Узконаправленный пучок создается с помощью антенны, имеющей форму, близкую к сферической. Используются ультракороткие волны.

Вода, суша, влажная почва, городские строения и транспортные коммуникации по-разному

отражают радиоволны. Это позволяет получить своеобразную карту местности, на которой летит самолет, с помощью радиолокационных приборов на самолете.

Облака не являются преградой для электромагнитных волн.

Пеленгация - определение координат, местоположения объектов.

Применение:

1.Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения судов, при любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлета и посадки.

2.Военное дело: своевременное обнаружение самолетов или ракет противника, автоматическая корректировка огня.

3.Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточнение параметров их орбит, определение периода вращения, наблюдение рельефа поверхности.

4. Аварийная радиоспасательная служба- в России *КОСПАС* , в США, Канаде, Франции *САРСАТ*.С ее помощью удалось предотвратить гибель многих людей при авариях.

Закрепление материала:

1. На каких принципах основана работа радиолокатора?

Ответ: Работа радиолокатора основана на отражении радиоволн различными препятствиями.

2. Имеются ли существенные различия между условиями распространения радиоволн на Земле и на Луне?

Ответ: Луна не имеет ионосферы. Следовательно радиосвязь на Луне во всех диапазонах может происходить только в пределах прямой видимости. На Земле же радиосвязь на больших расстояниях осуществляется за счет отражения радиоволн от ионосферы и огибания земной поверхности.

3.Решение задач из сборника Рымкевич № 995, № 1009 (ответ 30 км).

Молния представляет собой искровой разряд в атмосфере длительностью несколько десятков микросекунд. Он порождает электромагнитные волны, наибольшая мощность которых приходится на диапазон средних и длинных волн радиоприемников.

Дано: t =200 мкс = 2*10 -4 с

Радиосигнал локатора прошел путь 2l, где l - расстояние до объекта, со скоростью с-скорость света в воздухе.

Тогда 2l=ct. Отсюда

L=ct/2=3*10 8 *2*10 4 c /2=3*10 4 м = 30км.

Ответ: L=30км.

Домашнее задание:

&55, 56, Задача, сборник Рымкевич № 996, 997.

Радиолокация (слайд 3 )– область радиотехники, задачей которой является обнаружение и распознавание различных объектов в пространстве и определение их координат и параметров движения с помощью радиоволн.

Радиолокационная цель – объект радиолокации, то есть материальный объект, сведения о котором представляют практический интерес.

Радиолокационные цели могут быть:

аэродинамические (самолеты, вертолеты, ракеты, аэростаты, воздушные шары);

баллистические или космические (ИСЗ, боеголовки баллистических ракет, космические корабли);

наземные и надводные (танки, корабли).

Радиолокационная информация (РЛИ) (слайд 4 ) – совокупность сведений о целях, полученных средствами радиолокации.

Радиолокационная станция (РЛС) – совокупность технических средств, используемых для получения радиолокационной информации.

Одиночные РЛС обладают ограниченными возможностями по ряду основных показателей выдаваемой ими информации (размерам зоны обзора, составу и точности информации). Для полного удовлетворения требований к качеству радиолокационного обеспечения целесообразно техническое или тактическое объединение нескольких РЛС в радиолокационные комплексы.

Радиолокационный комплекс (РЛК) – совокупность функционально связанных технических средств, устройств, отдельных станций, обеспечивающих получение полного состава радиолокационной информации заданного качества.

Второй учебный вопрос.

Краткая история развития

Одна из важнейших задач радиолокации – применение ее в военной технике с целью обнаружения самолетов, баллистических ракет, космических объектов противника, а также наземных подвижных объектов.

Радиолокация – отличное средство для исследований земной атмосферы и ионосферы, а также для изучения метеоров. Она стала незаменимым помощником метеорологов при определении скорости и направления воздушных течений на различных высотах, а также при наблюдении за облаками, грозовыми фронтами и тайфунами.

Радиолокация широко применяется для астрономических наблюдений соседних космических тел солнечной системы: Луны, Солнца, Венеры, Марса и Юпитера; в гляциологии при определении толщины льда, например, при движении ледоколов; в геологии, геофизике при определении подземных неоднородностей полезных ископаемых, в жилищно-коммунальном хозяйстве для определения подземных коммуникаций и т. д.

Начало развития радиолокации относится к30-м года прошлого столетия, но широкое применение она получила только в годы Великой Отечественной войны. Явление отражения радиоволн от препятствий было открыто А.С.Поповым в 1897 году. Во время экспериментов по радиосвязи между кораблями Попов А.С. обнаружил нарушение связи, когда между этими кораблями проходил третий, от которого радиоволны отражались. А.С.Попов указал, что это явление можно использовать для определения местоположения объектов, радионавигации и радиопеленгации.

Однако состояние радиотехники того времени не позволяло использовать указанное явление в практических целях. Сложность радиолокационной техники требовала предварительной всесторонней и глубокой разработки многочисленных научных и технических проблем радиотехники и в первую очередь решения следующих задач:

Направленного излучения и приема радиоволн.

Создания приборов для измерения времени прохождения радиоволн.

Получение мощных колебаний в диапазоне УКВ.

Развитие радиолокационной техники стало возможным только на базе накопившихся в течение четырех десятилетий, со времени открытия А.С.Попова, теоретических и экспериментальных знаний по радиофизике, радиотехнике, электронике и автоматике.

Работы над созданием радиолокационных станций непрерывного излучения начались в СССР в 1933 году под руководством Ю.К.Коровина, П.К.Ощепкова, Б.К.Шембеля и др. В 1938 году промышленность освоила выпуск радиолокаторов «Ревень» с непрерывным методом излучения, а в 1939 году эта РЛС под названием «РУС-1» (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение частей ВНОС ПВО. Она позволяла предупредить войска о появлении самолетов на 80-100 километровом участке фронта.

С 1934 года в СССР широко развернулись работы по созданию импульсных РЛС. Ученые Ю.Б.Кобзарев, П.А.Погорелко и Н.Я.Чергнцов в 1935 году разработали импульсную РЛС с электронно-лучевым индикатором и «за изобретение прибора для обнаружения самолетов» были удостоены Государственной премии.

В 1939 году производились испытания РЛС «Редут», а в 1941 году «Редут» под названием «РУС-2» (автомобильный вариант) и «Пегматит П-1» (стационарный вариант) была принята на вооружение. Эта станция обнаружения имела дальность действия 100-120 км при высоте полета цели 7000 м.

Эти и ряд других работ позволили создать промышленные образцы радиолокаторов, успешно применявшихся во время Великой Отечественной войны.

Для преподавателя. К середине 1941 года в войсках в Московской и Северных зонах ПВО было развернуто 25-30 РЛС «РУС-2» и 45 комплексов «РУС-1» в Закавказье и на Дальнем Востоке.

В трудные годы войны советские ученые, инженеры-конструкторы разработали и наладили серийный выпуск РЛС различного тактического назначения, что позволило значительно повысить боевые возможности войск (РЛС П-2, П-2М, П-3, П-3А и др.).

После войны развитие радиолокации не только не приостановилось, но и продолжалось в широких масштабах. Это объясняется тем, что радиолокация оказалась грозным оружием и нашла широкое применение ив других родах войск и в народном хозяйстве.

Увеличение скорости, высоты и дальности полета современных летательных аппаратов выдвинуло вопрос о создании РЛС с большой дальностью действия (сотни и тысячи километров), объединения этих станций в комплекс совместно действующих устройств и соединения этого комплекса с системами скоростной обработки данных (ЭВМ) и автоматического управления противовоздушными оборонительными средствами с целью защиты государственных границ и важных промышленных и военных объектов.

В настоящее время развитие радиолокационной техники осуществляется по следующим направлениям:

увеличения дальности действия РЛС;

улучшения качества информации о наблюдаемых объектах;

повышения помехозащищенности, надежности и живучести;

автоматизации процессов управления, обработки и передачи радиолокационной информации.

Такова краткая история развития радиолокации в СССР.

Третий учебный вопрос.

Основные принципы радиолокации

Основной задачей радиолокатора является обнаружение летательного аппарата и определение его местоположения.

Местоположение летательного аппарата относительно РЛС определяется тремя пространственными координатами (рис. 1.1, слайд 5 ):

- наклонной дальностью Д – расстояние от РЛС до объекта по прямой;

- азимутом  – угол в горизонтальной плоскости между направлением на истинный Север и проекцией наклонной дальности;

-углом места  – угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей точку стояния РЛС и цель (Ц), и проекцией этой прямой на горизонтальную плоскость.

Часто третьей координатой вместо угла места  служит высота цели (Н), определяемая соотношением

Н = Д sin 

Решение основной задачи радиолокатора основано на использовании трех принципов радиолокации. (слайд 6 )

Первый принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны способны отражаться от неоднородностей, встречающихся на пути их распространения («вторичное излучение»).

Второй принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны с помощью антенн РЛС можно сконцентрировать в узкий луч.

Третий принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны распространяются в пространстве прямолинейно и с постоянной скоростью (с = 3  10 8 м\с).