РЛС, радиолокационная станция – это определенная совокупность различных устройств и аппаратов, которые позволяют осуществлять наблюдения за объектами. Радиоволны, которые подаются РЛС могут обнаружить исследуемую цель и составить ее подробный анализ. Радиоволны преломляются и как бы «рисуют» образ объекта. Радиолокационные станции могут работать при любых погодных условиях и отлично обнаруживать любые объекты на земле, в воздухе или в воде.

Система действий проста. Радиоволны из станции направляются на объекты, при встрече с ними волны преломляются и отражаются обратно к РЛС. Это называется радиоэхо. Для обнаружения данного явления в станции устанавливаются радиопередатчики и радиоприемники, которые имеют высокую чувствительность. Раньше, еще пару лет тому назад, радиолокационные станции требовали огромных затрат. Но не сейчас. Для правильной деятельности устройств и определения объектов нужно совсем немного времени.

Все работы РЛС базируются не только на отражении волн, но также и на их рассеивании.

Сфера применения радиолокационных систем достаточно широка.
• Первой отраслью будет военная. Используется для определения земных, водных и воздушных целей. РЛС совершают контроль и обзор территории.
• Сельское и лесное хозяйство. При помощи подобных станций специалисты проводят исследования для изучения почвы и растительных массивов, а также для обнаружения различного рода возгораний.
• Метеорология. Изучение состояния атмосферы и составление прогнозов, на основе полученных данных.
• Астрономия. Ученые с помощью станций РЛ изучают далекие объекты, пульсары и галактики.

Радиолокационная станция (РЛС), рада́р (англ. radar от radio detection and ranging – радиообнаружение и измерение дальности) – система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности, скорости и геометрических параметров. Использует метод радиолокации, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от объектов. Английский термин появился в 1941 году как звуковая аббревиатура (англ. RADAR), впоследствии перейдя в разряд самостоятельного слова.

В 1887 году немецкий физик Генрих Герц начал эксперименты, в ходе которых он открыл существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Джеймса Максвелла. Герц научился генерировать и улавливать электромагнитные радиоволны и обнаружил, что они по-разному поглощаются и отражаются различными материалами.

В 1897 году русский физик А.С. Попов во время опытов по радиосвязи между кораблями обнаружил явление отражения радиоволн от корабля. Радиопередатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа», стоявшем на якоре, а радиоприёмник – на крейсере «Африка».

В отчёте комиссии, назначенной для проведения этих опытов, А.С. Попов писал: Влияние судовой обстановки сказывается в следующем: все металлические предметы (мачты, трубы, снасти) должны мешать действию приборов как на станции отправления, так и на станции получения, потому что, попадая на пути электромагнитной волны, они нарушают её правильность, отчасти подобно тому, как действует на обыкновенную волну, распространяющуюся по поверхности воды, брекватер, отчасти вследствие интерференции волн, в них возбужденных, с волнами источника, то есть влияют неблагоприятно…Наблюдалось также влияние промежуточного судна. Так, во время опытов между «Европой» и «Африкой» попадал крейсер «Лейтенант Ильин», и если это случалось при больших расстояниях, то взаимодействие приборов прекращалось, пока суда не сходили с одной прямой линии.

В 1905 году Кристиану Хюльсмейеру был выдан германский патент по заявке идеи радиолокатора от 30 апреля 1904 года. В США открытие отражения радиоволн приписывают Тейлору и Янгу в 1922 году.

Знания одной лишь основной идеи было не достаточно для практического создания даже самого простого радиолокатора. Помимо основного принципа действия, инженерам пришлось изобрести множество необыкновенно важных и остроумных технических устройств и приборов: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, волноводы, усилительные и генераторные лампы сложной конструкции.

При этом инженеры полагались лишь на собственные силы: многие технические задачи, с которыми пришлось столкнуться во время работы над РЛС, были секретными, что затрудняло обмен информацией между учёными. Радиотехника длинных волн, с которой исторически началось освоение, была неприменима на высоких частотах.

Одно из первых устройств, предназначенных для радиолокации воздушных объектов, продемонстрировал 26 февраля 1935 года шотландский физик Роберт Уотсон-Уотт, который примерно за год до этого получил первый патент на изобретение подобной системы.

Во второй половине 1930-х годов в Великобритании появились первые промышленные образцы РЛС. Они были громоздки, и их можно было ставить только на суше или на больших кораблях. В 1937 году был испытан опытный образец компактной РЛС, пригодной для размещения на самолёте.

Первые авиационные бортовые локаторы предназначались либо для того, чтобы обнаружить вражеские самолёты и корабли при отсутствии оптической видимости, либо для обнаружения атаки сзади (например, радиолокатор «Моника»).

На этом борьба за экономию места, веса и энергии не кончилась, были созданы простые и миниатюрные радиовзрыватели, которые можно было помещать в головки зенитных снарядов. К началу Второй Мировой Войны в Великобритании была развернута система радиолокационных станций Chain Home. История создания радиолокационных станций показана в британском документальном фильме «Секретная война: видеть на сто миль».

В США первый контракт военных с промышленностью был заключён в 1939 году. Начавшаяся Вторая мировая война потребовала от британских инженеров эффективных мер борьбы с налётами немецкой авиации, и летом 1940 года под руководством Генри Тизарда был разработан резонансный магнетрон, ставший основой новой эффективной бортовой радиолокационной системы сантиметрового диапазона, которой в начале 1941 года были оснащены американские и британские самолёты.

Австрийский архитектор Рудольф Компфнер создал лампу бегущей волны, усиливающую сигнал в миллион раз в широком диапазоне частот. За разработку этого прибора Компфнеру присвоили звание доктора физики.

Для защиты своих городов от налётов бомбардировочной авиации в Германии были созданы зенитные батареи, управляемые радарами типа «Вюрцбург» с несущей частотой 560 мегагерц. Ответственным за организацию противовоздушной обороны был генерал Каммхубер, создавший так называемую линию Каммхубера.

В ходе операции «Брюневаль», проведённой английскими коммандос в феврале 1942 на побережье Франции в провинции Приморская Сена (Верхняя Нормандия), тайна немецких радаров была раскрыта. Для глушения радаров союзники применили передатчики, излучающие помеху в определённой полосе частот при средней частоте 560 мегагерц.

Сначала такими передатчиками оснащали бомбардировщики. Когда немецкие летчики научились вести истребители на сигналы помех, словно на радиомаяки, вдоль южного побережья Англии расположили громадные американские передатчики «Туба» (Project Tuba), разработанные в радиолаборатории Гарвардского университета. От их мощных сигналов истребители немцев «слепли» в Европе, а бомбардировщики союзников, избавившись от преследователей, спокойно летели к дому через Ла-Манш.

В Советском Союзе осознание необходимости средств обнаружения авиации, свободных от недостатков звукового и оптического наблюдения, привело к разворачиванию исследований в области радиолокации. Идея, предложенная молодым артиллеристом Павлом Ощепковым, получила одобрение высшего командования: наркома обороны СССР К.Е. Ворошилова и его заместителя – М.Н. Тухачевского.

В 1932 году на базе Государственного физико-технического института был создан Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ) под руководством А.А. Чернышёва, в котором проводились исследовательские и опытно-конструкторские работы по радиолокации. В 1935 году ЛЭФИ был расформирован, а на его базе организован «закрытый» институт НИИ-9 с оборонной тематикой, включавшей и радиолокацию. Научным руководителем его стал М.А. Бонч-Бруевич. Работы по радиолокации были начаты и в УФТИ в Харькове. К началу войны усилиями учёных и инженеров ЛЭФИ, НИИ-9 и других организаций были созданы опытные наземные радиолокационные станции.

3 января 1934 года в СССР был успешно проведён эксперимент по обнаружению самолёта радиолокационным методом. Самолёт, летящий на высоте 150 метров, был обнаружен на дальности 600 метров от радарной установки. Эксперимент был организован представителями Ленинградского Института Электротехники и Центральной радиолаборатории. Руководил экспериментом военный инженер М.М. Лобанов, который, по свидетельству академика Ю.Б. Кобзарева, был первым, кто убедил промышленность заняться проблемой радиолокации.

В 1934 году маршал Тухачевский в письме правительству СССР написал: «Опыты по обнаружению самолётов с помощью электромагнитного луча подтвердили правильность положенного в основу принципа». Первая опытная установка «Рапид» была опробована П. Ощепковым в том же году: передатчик был установлен в Москве на крыше дома № 14 по Красноказарменной улице, приёмник – в районе посёлка Новогиреево; присутствовали М.Н. Тухачевский, Н.Н. Нагорный, М.В. Шулейкин.

В 1936 году советская сантиметровая радиолокационная станция «Буря» засекала самолёт с расстояния 10 километров (испытания группы Б.К. Шембеля в Евпатории). Первые советские РЛС, принятые на вооружение РККА и выпускавшиеся серийно: РУС-1 (1939 год) и РУС-2 (1940 год).

4 июля 1943 года в соответствии с Постановлением ГКО от № 3686сс «О радиолокации» был сформирован Совет по радиолокации при ГКО. Его инициаторами стали военный инженер М.М. Лобанов и учёный А.И. Берг.

Во время войны программу по созданию советских радаров возглавлял инженер-адмирал Аксель Берг, сведения об американских разработках добывала советская разведка.

В 1946 году американские специалисты – Реймонд и Хачертон написали: «Советские учёные успешно разработали теорию радара за несколько лет до того, как радар был изобретён в Англии».

Большое внимание в системе ПВО уделяется решению проблемы своевременного обнаружения низколетящих воздушных целей.

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.

Первичный (с пассивным ответом) радиолокатор, в основном, служит для обнаружения целей, облучая их электромагнитной волной и затем принимая отражения (эхо) от цели. Поскольку скорость электромагнитных волн постоянна (скорость света), становится возможным определить расстояние до цели, основываясь на измерении различных параметров при распространении сигнала.

В основе устройства радиолокационной станции лежат три компонента: передатчик, антенна и приёмник.

Передатчик (передающее устройство) является источником электромагнитного сигнала. Он может представлять собой мощный импульсный генератор. Для импульсных РЛС сантиметрового диапазона – обычно магнетрон или импульсный генератор, работающий по схеме: задающий генератор – мощный усилитель, использующий в качестве генератора чаще всего лампу бегущей волны (ЛБВ), а для РЛС метрового диапазона часто используют триодную лампу. РЛС, которые используют магнетроны, некогерентны или псевдо-когерентны, в отличие от РЛС на основе ЛБВ.

В зависимости от способа измерения дальности, передатчик работает либо в импульсном режиме, формируя повторяющиеся короткие мощные электромагнитные импульсы, либо излучает непрерывный электромагнитный сигнал.

Антенна выполняет излучение сигнала передатчика в заданном направлении и приём отражённого от цели сигнала. В зависимости от реализации приём отражённого сигнала может осуществляться либо той же самой антенной, либо другой, которая иногда может располагаться на значительном расстоянии от передающей. В случае, если передача и приём совмещены в одной антенне, эти два действия выполняются поочерёдно, а чтобы мощный сигнал передатчика не просачивался в приёмник, перед приёмником размещают специальное устройство, закрывающее вход приёмника в момент излучения зондирующего сигнала.

Приёмник (приёмное устройство) выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны.

Различные РЛС основаны на различных методах измерения параметров отражённого сигнала.

Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов. В классической реализации данного метода (ЛЧМ) за полупериод частота меняется по линейному закону от f1 до f2.

Из-за запаздывания при распространении сигнала разница частот излучаемого и принимаемого сигналов прямо пропорциональна времени распространения. Измеряя ее и зная параметры излучаемого сигнала, можно определить дальность до цели.

Достоинства: позволяет измерять очень малые дальности; используется маломощный передатчик.

Недостатки: необходимо использование двух антенн; ухудшение чувствительности приёмника вследствие просачивания через антенну в приемный тракт излучения передатчика, подверженного случайным изменениям; высокие требования к линейности изменения частоты.

Фазовый (когерентный) метод радиолокации основан на выделении и анализе разности фаз отправленного и отражённого сигналов, которая возникает из-за эффекта Доплера, когда сигнал отражается от движущегося объекта. При этом передающее устройство может работать как непрерывно, так и в импульсном режиме. Основным преимуществом данного метода является то, что он «позволяет наблюдать только движущиеся объекты, а это исключает помехи от неподвижных предметов, расположенных между приёмной аппаратурой и целью или за ней».

Так как при этом используются ультракороткие волны, то однозначный диапазон измерения дальности составляет порядка единиц метра. Поэтому на практике используют более сложные схемы, в которых присутствует две и больше частот.

Достоинства: маломощное излучение, так как генерируются незатухающие колебания; точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения; достаточно простое устройство.

Недостатки: отсутствие разрешения по дальности; ухудшение чувствительности приёмника вследствие проникновения через антенну в приёмный тракт излучения передатчика, подверженного случайным изменениям.

Современные радары сопровождения построены как импульсные радары. Импульсный радар передаёт излучающий сигнал только в течение очень краткого времени, коротким импульсом (обычно приблизительно микросекунда), после чего переходит в режим приёма и слушает эхо, отражённое от цели, в то время как излучённый импульс распространяется в пространстве.

Поскольку импульс уходит далеко от радара с постоянной скоростью, между временем, прошедшим с момента посылки импульса до момента получения эхо-ответа, и расстоянием до цели – прямая зависимость. Следующий импульс можно послать только через некоторое время, а именно после того, как импульс придёт обратно (это зависит от дальности обнаружения радара, мощности передатчика, усиления антенны, чувствительности приёмника). Если импульс посылать раньше, то эхо предыдущего импульса от отдалённой цели может быть спутано с эхом второго импульса от близкой цели. Промежуток времени между импульсами называют интервалом повторения импульса, обратная к нему величина – важный параметр, который называют частотой повторения импульса.

Радары низкой частоты дальнего обзора обычно имеют интервал повторения в несколько сотен импульсов в секунду. Частота повторения импульсов является одним из отличительных признаков, по которым возможно дистанционное определение модели РЛС.

Достоинства импульсного метода измерения дальности: возможность построения РЛС с одной антенной; простота индикаторного устройства; удобство измерения дальности нескольких целей; простота излучаемых импульсов, длящихся очень малое время, и принимаемых сигналов.

Недостатки: необходимость использования больших импульсных мощностей передатчика; невозможность измерения малых дальностей; большая мёртвая зона.

Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов: земной поверхности, высоких холмов и т. п. Если, к примеру, самолёт находится на фоне высокого холма, отражённый сигнал от этого холма полностью перекроет сигнал от самолёта.

Для наземных РЛС эта проблема проявляется при работе с низколетящими объектами. Для бортовых импульсных РЛС она выражается в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолёта с радиолокатором. Методы устранения помех используют, так или иначе, эффект Доплера (частота волны, отражённой от приближающегося объекта, увеличивается, от уходящего объекта – уменьшается).

Самый простой радар, который может обнаружить цель в помехах – радар с селекцией движущихся целей (СДЦ) – импульсный радар, который сравнивает отражения более чем от двух или больше интервалов повторения импульса. Любая цель, которая движется относительно радара, производит изменение в параметре сигнала (стадия в последовательном СДЦ), тогда как помехи остаются неизменными. Устранение помех происходит путём вычитания отражений из двух последовательных интервалов. На практике устранение помех может быть осуществлено в специальных устройствах – через периодных компенсаторах или алгоритмами в программном обеспечении.

Неустранимым недостатком СДЦ, работающих с постоянной ЧПИ, является невозможность обнаружения целей со специфическими круговыми скоростями (целей, которые производят изменения фаз точно в 360 градусов). Скорость, при которой цель становится невидимой для радиолокатора, зависит от рабочей частоты станции и от ЧПИ. Для устранения недостатка современные СДЦ излучают несколько импульсов с различными ЧПИ. ЧПИ подбираются такими образом, чтобы число «невидимых» скоростей было минимальным.

Импульсно-доплеровские РЛС, в отличие от РЛС с СДЦ, используют другой, более сложный способ избавления от помех. Принятый сигнал, содержащий информацию о целях и помехах, передаётся на вход блока фильтров Доплера. Каждый из фильтров пропускает сигнал определённой частоты. На выходе из фильтров вычисляются производные от сигналов. Способ помогает находить цели с заданными скоростями, может быть реализован аппаратно или программно, не позволяет (без модификаций) определить расстояния до целей.

Для определения расстояний до целей можно разделить интервал повторения импульса на отрезки (называемые отрезками дальности) и подавать сигнал на вход блока фильтров Доплера в течение данного отрезка дальности. Вычислить расстояние удаётся только при многократных повторениях импульсов на разных частотах (цель появляется на различных отрезках дальности при разных ЧПИ).

Важное свойство импульсно-доплеровских РЛС – когерентность сигнала, фазовая зависимость отправленных и полученных (отражённых) сигналов.

Импульсно-доплеровские РЛС, в отличие от РЛС с СДЦ, успешнее обнаруживают низколетящие цели. На современных истребителях эти РЛС используются для воздушного перехвата и управления огнём (радары AN/APG-63, 65, 66, 67 и 70). Современные реализации в основном программные: сигнал оцифровывается и отдаётся на обработку отдельному процессору. Часто цифровой сигнал преобразуется в форму, удобную для других алгоритмов, с помощью быстрого преобразования Фурье.

Использование программной реализации по сравнению с аппаратной имеет ряд преимуществ: возможность выбора алгоритмов из числа доступных; возможность изменения параметров алгоритмов; возможность добавления/изменения алгоритмов (путём смены прошивки).

Перечисленные достоинства наряду с возможностью хранения данных в ПЗУ) позволяют, в случае необходимости, быстро приспособиться к технике глушения противника.

Наиболее эффективным методом борьбы с активными помехами является использование в РЛС цифровой антенной решётки, позволяющей формировать провалы в диаграмме направленности в направлениях на постановщики помех.

Вторичная радиолокация используется в авиации для опознавания. Основная особенность – использование активного ответчика на самолётах.

Принцип действия вторичного радиолокатора несколько отличается от принципа первичного радиолокатора. В основе устройства Вторичной радиолокационной станции лежат компоненты: передатчик, антенна, генераторы азимутальных меток, приёмник, сигнальный процессор, индикатор и самолётный ответчик с антенной.

Передатчик служит для формирования импульсов запроса в антенне на частоте 1030 МГц.

Антенна служит для излучения импульсов запроса и приёма отражённого сигнала. По стандартам ICAO для вторичной радиолокации антенна излучает на частоте 1030 МГц и принимает на частоте 1090 МГц.

Генераторы азимутальных меток служат для генерации азимутальных меток и метки Севера. За один оборот антенны РЛС генерируется 4096 малых азимутальных меток (для старых систем) или 16384 улучшенных малых азимутальных меток (для новых систем), а также одна метка Севера. Метка севера приходит с генератора азимутальных меток при таком положении антенны, когда она направлена на Север, а малые азимутальные метки служат для отсчёта угла разворота антенны.

Приёмник служит для приёма импульсов на частоте 1090 МГц. Сигнальный процессор служит для обработки принятых сигналов. Индикатор служит для отображения обработанной информации.

Самолётный ответчик с антенной служит для передачи содержащего дополнительную информацию импульсного радиосигнала обратно в сторону РЛС по запросу.

Принцип действия вторичного радиолокатора заключается в использовании энергии самолётного ответчика для определения положения воздушного судна. РЛС облучает окружающее пространства запросными импульсами P1 и P3, а также импульсом подавления P2 на частоте 1030 МГц. Оборудованные ответчиками воздушные суда, находящиеся в зоне действия луча запроса, при получении запросных импульсов, если действует условие P1,P3>P2, отвечают запросившей РЛС серией кодированных импульсов на частоте 1090 МГц, в которых содержится дополнительная информация о номере борта, высоте и так далее.

Ответ самолётного ответчика зависит от режима запроса РЛС, а режим запроса определяется интервалом времени между запросными импульсами P1 и P3, например, в режиме запроса А (mode A) интервал времени между запросными импульсами станции P1 и P3 равен 8 микросекундам и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свой номер борта.

В режиме запроса C (mode C) интервал времени между запросными импульсами станции равен 21 микросекунде и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свою высоту. Также РЛС может посылать запрос в смешанном режиме, например, Режим А, Режим С, Режим А, Режим С. Азимут воздушного судна определяется углом поворота антенны, который, в свою очередь, определяется путём подсчёта малых азимутальных меток.

Дальность определяется по задержке пришедшего ответа. Если воздушное судно находится в зоне действия боковых лепестков, а не основного луча, или находится сзади антенны, то ответчик воздушного судна при получении запроса от РЛС получит на своём входе условие, что импульсы P1,P3

Принятый от ответчика сигнал обрабатывается приёмником РЛС, затем поступает на сигнальный процессор, который проводит обработку сигналов и выдачу информации конечному потребителю и (или) на контрольный индикатор.

Плюсы вторичной РЛС: более высокая точность; дополнительная информация о воздушном судне (номер борта, высота); малая по сравнению с первичными РЛС мощность излучения; большая дальность обнаружения.

До изобретения радара обнаружением приближающихся самолётов противника занимались специальные «слухачи». Их оборудование варьировалось в разных армиях, но принцип был один: большие микрофоны, позицию которых в пространстве можно было настраивать, передавали звук в уши оператора. Другими словами, определение положения воздушных объектов велось с помощью огромных стетоскопов.

В Первой Мировой войне для кораблей, главным образом в британском и американском флотах, широко применялся специальный камуфляж – судно раскрашивали в обрывочные, пересекающиеся полосы или узоры контрастных цветов. Целью такого камуфляжа было не скрыть корабль, но максимально затруднить противнику расчёт его курса и скорости движения.

Экономическую эффективность этой защиты военные историки до сих пор определить затрудняются – из-за очень большого числа различных узоров не представляется возможным сказать, какая из них была лучше, и были ли они в принципе заметно лучше традиционной однотонной окраски. Подобный камуфляж встречался и во Второй Мировой, но появление радаров нивелировало все доводы в его поддержку.

Витамин А, содержащийся в моркови, важен для здоровых кожи, роста, зрения. Однако прямой связи между поеданием моркови и хорошим зрением нет. Начало такой вере было положено во Вторую Мировую войну. Англичане разработали новый радар, позволяющий пилотам видеть немецкие бомбардировщики ночью. Чтобы скрыть существование этой технологии, британские воздушные силы распространили публикации в прессе о том, что подобное видение – результат морковной диеты пилотов.