Эхолокация

8

Эхолокация

М. С. Ливиц

Встречающаяся на пути волн неоднородности рассеивают их во всех направлениях, в том числе и обратном. Иными словами, неоднородности среды сами становятся источниками (вторичными) волн, и от них, как говорят, приходит эхо.

Явление эха используется для локации, то есть определяния местонаходения различных объектов с помощью радиоволн (radiolokaция) или звуковых волн (звуkolokaция).

Волны. Колбация. Излучение

Когда говорят о волнах, то мы неволно представляем себе волны на вode. Это—единистенный по-настоящему наглядный вид волн. Звуковые волны — волны скатия и разрежения в упругой среде — уже непрост представить; и еще больше услышей требуется, чтобы представить радиоволны и световые волны.

Неожиданное трудно, оказывается, даже дать точное определение понятия волны. Пожалуйста, наиболее общим будет такое:

Волна — это процесс, при котором пространственное распределение неокоторой физической величины перiodических изменяется со временем.

В простейшем случае, который мы и наблюдаем на вode, волны представляют собой периодическое черезование горбов и вадин. Для волн другей физической природы под «горбом» следует понимать то место в волне, где данная физическая величина (например, плотность среды в случе звуковых волн, направность элект-

рического или магнитного поля в случе электромагнитных волн) достигает максимального значения, а «впадиной» — то место, где эта величина достигает минимального значения.

Расстояние между двумя соседними горбами (или владинами, или другими точками, нахождения в одинаковых состояниях) называется длиной волны и обозначается λ (рис. 1). Длина волны является очень важной характеристикой.

Рис. 1.

Если сосредоточить внимание на какой-то точке в пространстве, где существуют волны, то мы обнаружим периодическое изменение соответствующей физической величины только во времени, называемое колбанием. Имеется связь между колбациями и волнами. Оказывается, волна, представляющая собой совокупность колбаний во всех ее точках, не возникнет сама по себе. Есть некоторые особые точки, колбания в которых являются источниками волны. В связи с этим уменьшно привести еще одно определение волны.

Волна — это процесс распределения колбаний в среде.

Действительно, для того чтобы существовали волны на вode, надо бросить в нее камень или погрузить в нее какой-то вибратор (например, колбающийся стержень). Звуковые волны существуют, если мы говорим илирожит струна скрипки. Радиоволны существуют, если есть радиопередатчик с антенной. И так далее.

Имеет место и обратный процесс: если на пути волны, распределения в неокоторой среде, оказывается колбающийся, свойства которого отличают-

9

ся от свойств среды *), в нем возникают колебания. При этом частино может произойти поглощение волны (то есть переход энергии волны в тепло). Но главным результатом обычно является то, что данный предмет становится источником волн, называемых вторичными.

Matematически связь между колебаниями и волнами выражается зависимостью длины волны $\lambda$ от частоты колебаний $v$ (или от периода $T$) и от скорости распространения волны $v$:

$$\lambda = \frac{v}{v} = vT.$$

Длина волны есть расстояние, на которой перемещается возможность длины волны $\lambda$ от частоты колебаний $v$ (или от периода $T$) и от скорости распространения волны $v$:

Во многом первичный и вторичный излучатель сходны. В первую очередь сходство проявляется в одинаковом характере зависимости эффективности действия излучателя $I$ от его линейных размеров $d$. Эффективность излучателя определяется отношением излучаемой энергии к энергии, питания излучатель.

Общий вид зависимости (см. рис. 2) одинаков для волн различных длины и любой физической природы. Обратите внимание на каждуюся парадокальной особенность графика: когда размер излучателя становится больше $\frac{\lambda}{2}$, он хуже излучает, чем при $d \approx \frac{\lambda}{2}$.

*) Имеются в виду свойства, связанные с физическим природой соответствующей волны (например, проводимость для радиоволли или плотность для звуковых волн).

Как же обязывать зависимости, показанную на рисунке 2?

Нетрудно понять общий ход кривой графика, то есть тот факт, что с увеличением размеров предмета увеличивается интенсивность излучения волн. Это происходит в результате сложения возможности, производимых в среде различных участками первичного излучателя (и обратного воздействия — для вторичного излучения). Поэтому главное — понятие наиболее характерную особенность графика: резкий максимум эффективности излучателя при $d \approx \frac{\lambda}{2}$.

В самых общих чертах этому можно даить следующое обяissance. При размещении излучателя $d \approx \frac{\lambda}{2}$ наступает явление резонанса из-за согласования частот внешнего воздействия и собственных колебаний излучателя. При резонансе система всегда забирает от источника и излучает максимум энергии.

Диаграмма направленности

От размеров и конфигурации излучателя зависит не только его эффективность, но и распределение энергии излучаемых им волн по различных направлениям — так называемая диаграмма направленности излучателя.

Такая же диagramma относится к колебаниям, возникшим в антенне при попадании на нее волн (в этом заключается так называемая теорема взаимности в теории излучения).

Диagramma направленности представляет собой кривой распределения интенсивности излучения по различных направлениям. На рисунке 3

10

в качестве примера показана диаграмма направления электромагнитного полувольного излучателя (вибратора): а) в meridionalной плоскости (то есть в плоскости, в которой лежит излучатель) и б) в экватorialной плоскости (то есть в плоскости, перpendикулярной вибратору, а значит, и направлению электрических колебаний в нем).

Из рисунка видно, что электромагнитный полувольной вибратор не излучает вдоль направления колебаний в нем и, наоборот, максимально излучает в перpendикулярном направлении. В экватorialной плоскости излучение вибратора равномерно по всему направлениям.

Импульс волн.
Разрешающая способность локатора

Тепер обратимся к главному вопросу: как можно заметить наличие вторичных волн (эхо)? Ведь если мы не сможем выделить то или иное эхо, то не сможем и обнаружить его источник, который называется в эхолокации целью.

Трудно придумать более простой ответ, чем такой: нужно, чтобы во время прихода данного эха никаких других волн в приемник не попадало.

Так возникает основная особенность подавляющего большинства локоров: работа в импульсном режиме. Это значит, что perвичный излучатель перiodических излучает группу волн (импульс дительностью τ, протяженность cτ (рис 4)), а затем долгое (по сравнению с дительностью импульса) время не работает. Вот в этот период «молчания» и приходят

Рис. 4.

отраженные импульсы от различных целей.

Чем короче импульс, излучаемый антенной локатора (зондирующий импульс), тем больше число целей в том же объеме пространства можно обнаружить разделно. Действительно, если дальность до двух целей отличается на такую величины, что вторичные (отраженные) цуги (то есть группы) волн от них не перекрывают, цели будут наблюдаться локатором разделно (рис. 5).

Таким образом, дительность импульса определяет так называемую разрешающую способность по дальности δD ~ τ.

Кроме того, дительное наблюдение нескольких целей, направления на которых различны, обеспечивает использование излучателей с узкой диаграммой направлениями (рис. 6).

Здесь уже говорят о разрешающей способности по углу. Действительно, если направления на цели отличаться на угол, больший, чем ширина диаграммы направления (угол α), то они, даже при одинаковой дальности, не будут видны как одна цель. Отраженные импульсы от них будут приходит не одновременно, а только

Рис. 6. Цель 1 видна, а цель 2 при этом не наблюдается.

11

после соответствующего поворота антенны.

Выбор диапазона волн для локции

Тепер мы достаточно подготовлены, чтобы понять, почему в радиолокации используется ультракороткие радиоволны (УКВ), то есть волны,лина которых лежит в метровом, дециметровом и сантimetровом диапазонах.

Рассмотрим несколько причины.

1. Для УКВ легко обеспечить приемлемые размеры антенн радиолокаторов, обладающих узкой диаграммой направленности (для обеспечения хорошего разрешения по углам) и достаточно интенсивно излучения, так как основной элемент таких антенн — полученный вибратор.

2. Размеры обычных целей (самолеты, корабли) будут достаточно велики по сравнению с приемлемыми длинами волн, что благоприятствует увеличению интенсивности отраженных сигналов (в соответствии с схом кривой при $d \gg \lambda/2$ на рисунке 2).

3. Технически трудно формировать импульс короче хотя бы десята длины волн, поэтому чем меньше $\lambda$, тем легче обеспечить формирование такого импульса, а значит, получить хорошо разрешение по дальности.

Приципп изменения дальности и угловых координат

Полное определение местоположения цели в пространстве требует знания

Рис. 7.

трех координат в некоторой системе координат. Для локоров такой «естественный» системой координат, то есть наиболее соответствующей характеристике используемых в них физических явлений, будет сферическая (рис. 7). В ней положение точки определяется следующим координатами: радиусом-вектором $D$ (в радиолокации называемых накладной дальностью); азимутом $\varphi$ (углом в горизонтальной плоскости); углом места $\varepsilon$ (углом в вертикальной плоскости).

Таким образом, для локции необходимо иметь изменять данные и угловые координаты.

Когда антенна локатора излучает зондирующий импульс, то требуется определение времени $t'$, чтобы эта группа волн должна до цели. Как только волны должны до цели, цель становится вторичным излучателем, и часть энергии рассеянных (отраженных) его волн идет обратно, то есть к антенне локатора. При скорости распространения волн, много большей скорости перемещения цели, можно пренебречь смещением цели за это время. Отраженный (вторичный) импульс должен от цели до локатора за то же время $t'$, поглотится его приемной антенной и попадет на вход приемника. При этом энергия волн превращается в энергию электрического тока и усиливается приемником для последующей передачи измерительных устройств локатора. Заметьте, что здесь полезным процессом является поглощение антенной энергии волн.

Суммарное время $t = t' + t'$ является временем задержки отраженного импульса по отношению к зондирующему импульсу и может быть изменено в локatore. Итак, изменение дальности свойства к изменению времени. Это видно из формулы

$$D = \frac{ct}{2}.$$

Приведенная формула тем точнее, чем меньше смещение цели за время задержки.

12

Рис. 8. Тповторения — время, через которое передатчик периодически посылает зондирующие импульсы; $U_{\text{пер}}$ — выходное напряжение (импульс) передатчика; $U_{\text{пр}}$ — напряжение на входе приемника (отраженный импульс); цель 2 нахождения дальше, чем цель 1.

Поясняют принцип измерения дальнейсти времени диаграммы на рисунке 8.

Какие промежутки времени и с какой точностью приходит измерять в радиолокации?

Объчно должны измеряться дальнейсти в десятики километров с ошибкой, не превышаюшей десятков метров. Значит, как можно подсчитать по формуле (1) (скорость света $c = 300\ 000\ \text{km/c}$), надо уметь измерять промежутки времени порядка сотен микросекунд ($1\ \text{mkc} = 10^{-6}\ \text{c}$) с точностью до десятих долей микросекунд. Никакие механические часы не способны производить такие измерения: слишком велика масса (инерционность) частей их механизма; только электронные устройства,следствие малой инерционности электронов, могут выполнить эту задачу. Весьма удобным устройством, например, оказывается электрон-лучвая трубка

Рис. 9.

(аналогичная тем, которые применяются в осцилографах и телевизорах). Ее применение в радиолокации обычнояется еще известной истиной, что «лучшие один раз увидеть, чем это раз услышать». Все, что попадает в радиолокатор, электронно-лучовые индикаторы преобразуют в видимую картину соответствующего области пространства.

Для определения угловых координат существуют различные методы, но общим принципом является использование направленности излучения и приема волн.

Нанболее простым методом, основным на этом обшем принципие, является фиксация каким-либо измеритель угловой положения врашающегося антенны в момент, когда отраженный от цели импульс достигает максимума (рис. 9).

Индикаторы

Для болееясного представления о том, как осуществляется измерение координат в радиолокаторах в соответствии с рассмотренными принципами измерения дальнейсти и угла, позначокоммся с применяемыми для этой цели индикаторами.

В качестве примеров рассмотрим два типа индикаторов.

Первый из них обеспечивает наглядное представление всей области в окружающей пространстве; второй же благодарное простое может применяться в отдельных устройствах радаров (так часто называют радиолокаторы).

1. Почти во всех локatorх имеется индикатор кругового обзора. В нем электронный луч перемещается так, что его «острие» вычерчивает на экране радиальный линю (от центра к краю экрана). Этот осуществляется так называемая развертка по дальнейсти: положению светашейся точки в центре экрана соответствует нулевая дальность (местоположение локатора в момент посылики зондирующего импульса), а положение светашейся точки на краю экрана

13

соответствует предельная дальность обнаружения. Между этими точками размещается вся шкала дальности локатора.

Направление, по которым прочечивается радиальная пряма, определяется азимутом излучения радиоволн антенной радиа, то есть при врашении диаграммы направленности антенны («луча» антенны) синхроно (одновременно) врашается и развертка. Угол места в таком индикаторе не определяется.

При отсутствии отражающих объектов электронный луч «погашен». Отраженный от объекта сигнал «опирает» луч, и в соответствиишем месте экрана возникает светлое пятно (типовое изобравжение на экране представлено на рисунке 10). Для того чтобы всю картину видеть одновременно, в этих индикаторах применяется такой ломинесцирующий экран, что свечение, возбужденное в любом месте его, длится все время, пока «луча» антенны совершает один оборот.

2. Простейшим индикатором является индикатор, на экране которого по горизонтальном диаметру осуществляется развертка по дальности, а величина отклонения пятна по вертикали (амплитуда импульса) определяется величины сигнала от целли (рис. 11).

В этом индикаторе применяют экран без последвечения, и картина меняется по мере того, как антенный «луча» поворачивается в пространстве, поэтому угол «луча» надо отсчитывать по шкале антенны в тот момент, когда амплитуда соответствующего импульса на экране достигает максимума.

«Местники», пассивные и активные помещи

Каждее техническое достжение не cet в себе и свою слабость, для преодоления которого приходит еще глубже вникать в физку использующего явления. Это можно увидеть на несколько позиционных примерах из радиолокации.

1. В условиях горной местности экраны индикаторов оказываются «забитыми» так называемыми «местниками», то есть импульсами, отраженными от холодов, скал и других неровностей местности. Это затрудняет или делает даже невозможным обнаружение полезных сигналов от целли. То же самое наблюдается и вблизи крупных населенных пунктов.

Большие помещи создают также отражениями от различных областей, туч и тому подобного.

2. Как мы уже говорили, при размещении недородностей, близких к

14

λ/2, вторичное излучение от них сильно возрастает. Поэтому такие полувольные отражатели использются в борьбе с радиолокацией для создания ложных «целей» (пассивные помещи). Оказывается, достаточно нескольких сотен грамм фольги или металлизированного стекловолокна, чтобы создать такой же отраженный имплус, как от самолета.

Значит ли это, что ни с «местниками», ни с пассивными помещами ничего нельзя сделать? Конечно, нет.

Дело в том, что источники «местников» вообще неодвижны, а облака и пассивные помещи движутся со скоростью ветра, которая обычно много меньше скорости самолета. Вот это-то и используется для устройства помещи. Приципл действия одного из соответствующих устройств связи с так называемым чересперидным вычитанием. Суть последнего заключится в следующем: если сигналы, полученные при двух последовательных зондированиях, подавать на индикатор одновременно, но с противоположными знаками, то местники уничтожатся, а сигналы от быстродвижущих целей, изменивших за период повторения своего положение, сохраняются.

3. Поступающие на приемник радиа сигналы от целей на много порядков слабее, чем зондирующий импульс. Следовательно, для радиара характерно сочетание большой мощности зондирующего импульса передатчика с высокой чувствительностью приемника. Только так можно обеспечить большую дальность обнаружения целей.

Но эта сила радиа немедленно превращается в его слабость.

Во-первых, мощные зондирующие импульсы локатора могут быть обнаружены на самом деле задолго до обнаружения самолета локатором (ибо при этом радиовольны совершают путь «в один конец»).

Во-вторых, можно легко «забит» высокочувствительный приемник локатора локными сигналами передатчиков помещи, установливаемых на самолете (эти передачки могут также срабатывать с парашютом и тому подобное).

Так возникнет еще один способ борьбы с радиолокацией — с помощью активных помещи. Однако находится способы преодолеть и их.

Особенности звуковокации

Для звуковокации существует, что скорость распространения звуковых волн на много порядков меньше скорости распространения электромагнитных волн (в воздухе скорость звука при нормальных условиях равна 331 м/с, то есть почти в миллион раз меньше скорости света). Бессмысленно, например, пытается применить звуковокацию для определения координат современного сверхзвукового самолета: звук просто не доgonит его. Для гидродолокации (звуковокации в воде) дело обстоятель лучшие: скорость звука в воде равна примерно 1500 м/с, а скорость перемещения «цели» под водой гораздо меньше (порядка 10 м/с). Кроме того, в пользование сообщения: электромагнитные волны очень плохо распространяются в воде (сильно затухают, так как вода, особенно морская, довольно хорощий проводник). Поэтому без звука в воде не обойтись.

Что же касается живой природы, то не только в воде, но и в воздухе скорость звука в полне обеспечивает успех эхолокации. Вот почему «живые локаторы» используют звуковые волны (точнее, ультразвук). Например, что слышимые человеком звуки охватывают диапазон частот колбаций от 20 до 20 000 Hz. Звуки больше высокой частоты, чем 20 000 Hz, и называются ультразвуками.

Одни из самых совершенных «живых локаторов» — летучие мыши — используют для локации ультразвуковые волны в воздухе, соответствующие принципу от 50 кцц до 100 кцц. А делыфинны, использующие ультразвуки в воде, «работают» на еще более высоких частотах.