Радар

Радар — это устройство для обнаружения объектов и определения их координат, скорости и других параметров с помощью радиоволн. Термин является аббревиатурой от английского Radio Detection and Ranging (радиообнаружение и дальнометрия). Радар относится к классу радиолокационных станций (РЛС) и работает по принципу излучения радиосигнала, приёма его отражения (эха) от цели и последующей обработки принятого сигнала для извлечения информации.

История

Ранние эксперименты

Возможность отражения радиоволн от объектов была предсказана теоретически ещё в конце XIX века. В 1886—1889 годах Генрих Герц экспериментально подтвердил существование радиоволн и показал, что они отражаются от металлических и диэлектрических предметов. В 1904 году немецкий инженер Кристиан Хюльсмайер получил патент на устройство для обнаружения кораблей в тумане с помощью радиоволн (Telemobiloskop), однако его изобретение не получило практического применения из-за низкой чувствительности и отсутствия точного метода измерения дальности.

Развитие в 1930-х годах

Настоящий прорыв в области радиолокации произошёл в 1930-х годах. Независимо друг от друга работы велись в Великобритании, США, Германии, СССР и Франции. В 1934 году советский учёный Павел Кондратьевич Ощепков предложил концепцию радиообнаружения самолётов и обосновал возможность создания импульсного радара. В 1935 году в СССР была построена экспериментальная установка «Рапид», а к 1939 году на вооружение поступила первая серийная РЛС РУС-1 («Редут»).

В Великобритании в 1935 году Роберт Уотсон-Уатт представил меморандум о возможности использования радиоволн для обнаружения самолётов. Уже в 1936 году была развёрнута сеть береговых РЛС Chain Home, сыгравшая ключевую роль в Битве за Британию. В Германии разработка радаров велась компаниями GEMA, Telefunken и Siemens, результатом чего стало создание радаров Freya и Würzburg.

Вторая мировая война и послевоенный период

В годы Второй мировой войны радары стали незаменимым средством ПВО, морской навигации и управления огнём. Были разработаны сантиметровые радары с использованием магнетрона, что позволило значительно повысить точность и уменьшить размеры антенн. После войны развитие радиолокации пошло по пути освоения миллиметрового диапазона, внедрения цифровой обработки сигналов и создания систем с синтезированной апертурой (SAR). В СССР в 1950-х годах были созданы мощные радары дальнего обнаружения, в том числе для системы противоракетной обороны (ПРО).

Принцип работы

Основой работы радара является измерение времени задержки между излучением импульса и приёмом его отражения от цели. Зная скорость распространения радиоволн (приблизительно 300 000 км/с), можно вычислить расстояние до объекта: \( R = \frac{c \cdot t}{2} \), где \( c \) — скорость света, \( t \) — время задержки.

Для определения угловых координат (азимута и угла места) используются направленные антенны, формирующие узкий луч. Изменяя направление луча (механическим или электронным сканированием), радар «просматривает» пространство. Скорость цели определяется по эффекту Доплера — изменению частоты отражённого сигнала относительно излучаемого.

Современные радары используют сложные методы обработки сигналов: согласованную фильтрацию, когерентное накопление, адаптивную компенсацию помех. Для защиты от активных помех применяются методы перестройки частоты, псевдослучайной последовательности импульсов и фазированных антенных решёток (ФАР).

Классификация

Радары классифицируются по нескольким основным признакам.

По диапазону рабочих частот

• Метровый (VHF, 30–300 МГц): высокая дальность, слабая зависимость от метеоусловий, но низкая разрешающая способность. Применяются в системах дальнего обнаружения (например, российская РЛС «Воронеж»).
• Дециметровый (UHF, 300–3000 МГц): средняя дальность и разрешение. Используются в авиационных диспетчерских радарах и метеорологических станциях.
• Сантиметровый (SHF, 3–30 ГГц): высокая точность, компактные антенны. Основной диапазон для бортовых радаров самолётов, корабельных РЛС и систем наведения.
• Миллиметровый (EHF, 30–300 ГГц): очень высокая разрешающая способность, но малая дальность и сильное затухание в атмосфере. Применяются в автомобильных радарах и системах ближней разведки.

По назначению

• Радары ПВО и ПРО: обнаружение и сопровождение воздушных целей (самолётов, ракет). Примеры: С-300, С-400, THAAD.
• Радиолокационные станции разведки: картографирование местности, обнаружение наземных и надводных объектов. Примеры: «Пика», SAR.
• Метеорологические радары: обнаружение осадков, гроз, ветра. Примеры: ДМРЛ (доплеровский метеорологический радиолокатор).
• Навигационные радары: обеспечение безопасности мореплавания и воздушной навигации.
• Автомобильные радары: системы адаптивного круиз-контроля, предупреждения столкновений.
• Радары управления огнём: сопровождение цели и выдача данных для наведения оружия.

По типу сигнала

• Импульсные: излучают короткие мощные импульсы, измеряют время задержки. Наиболее распространённый тип.
• Непрерывные (CW): излучают непрерывный сигнал, используют доплеровский сдвиг для измерения скорости. Не способны измерять дальность без модуляции.
• С частотной модуляцией (FMCW): непрерывный сигнал с линейно меняющейся частотой. Позволяет измерять и дальность, и скорость.

По способу обзора пространства

• Механическое сканирование: антенна вращается или качается механически.
• Электронное сканирование: луч управляется фазированной антенной решёткой (ФАР) без механического движения. Обеспечивает высокую скорость обзора и возможность одновременного сопровождения множества целей.
• Гибридное: сочетание механического и электронного сканирования.

Устройство

Типичный импульсный радар состоит из следующих основных компонентов:

• Передатчик: генерирует мощные радиоимпульсы заданной частоты и длительности. В мощных радарах используются клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ). В маломощных — полупроводниковые усилители.
• Антенна: преобразует электрический сигнал в радиоволны и наоборот. Бывает рупорная, параболическая, щелевая, в виде фазированной решётки.
• Приёмник: усиливает слабый отражённый сигнал, фильтрует помехи, преобразует его в цифровую форму. Обычно строится по супергетеродинной схеме.
• Устройство обработки сигналов: выделяет полезный сигнал на фоне шумов, измеряет время задержки, доплеровский сдвиг, угловые координаты. В современных радарах — это цифровые вычислители на базе ПЛИС, DSP или FPGA.
• Индикатор: отображает радиолокационную обстановку оператору. Исторически использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), сегодня — жидкокристаллические дисплеи с программным обеспечением.

Применение

Радиолокация нашла применение в десятках отраслей, от военного дела до науки.

Военное дело

Радары являются основой систем ПВО, ПРО, управления огнём, разведки и навигации. Они устанавливаются на самолётах, вертолётах, кораблях, подводных лодках, наземных пусковых установках и спутниках. В России на вооружении стоят такие системы, как С-300, С-400, С-500, «Искандер», «Тор», «Панцирь-С1». Разрабатываются радары с активной фазированной антенной решёткой (АФАР) для истребителей пятого поколения (Су-57).

Гражданская авиация

Радары используются для управления воздушным движением (аэродромные и трассовые диспетчерские РЛС), для метеорологического обеспечения полётов, а также для предотвращения столкновений (бортовые радары TCAS).

Морская навигация

Навигационные радары (X-диапазон, S-диапазон) устанавливаются на всех морских судах для обнаружения других судов, береговой линии, буёв и навигационных опасностей. Они обязательны по требованиям Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (SOLAS).

Метеорология

Метеорологические радары (доплеровские, поляриметрические) позволяют наблюдать за облаками, осадками, грозами, смерчами. Данные используются для краткосрочного прогноза погоды, предупреждения о стихийных бедствиях. В России развёрнута сеть доплеровских метеорологических радиолокаторов (ДМРЛ).

Наука

Радиолокация применяется в астрономии (радиолокация планет, астероидов, комет), геофизике (зондирование ионосферы, ледников, земной коры), биологии (слежение за перелётами птиц).

Автомобильная промышленность

Автомобильные радары (24 ГГц, 77 ГГц) стали ключевым компонентом систем помощи водителю (ADAS): адаптивный круиз-контроль, автоматическое экстренное торможение, предупреждение о столкновении, мониторинг слепых зон.

Интересные факты

• Первый в мире радар, способный обнаруживать самолёты на расстоянии до 100 км, был создан в СССР в 1939 году (РУС-2 «Редут»).
• Во время Второй мировой войны радары союзников позволяли обнаруживать немецкие подводные лодки в надводном положении, что резко снизило эффективность их действий.
• Современные радары с АФАР могут одновременно сопровождать до нескольких сотен целей и наводить на них ракеты.
• Радиолокация планет позволяет измерять расстояние до них с точностью до нескольких метров. С помощью радаров были уточнены орбиты Меркурия, Венеры, Марса.
• В России действует система предупреждения о ракетном нападении (СПРН), включающая мощные радары «Воронеж» и «Дарьял», способные обнаруживать баллистические ракеты на дальности до 6000 км.

Источники

• Сколиник М. И. Справочник по радиолокации. Том 1-4. — М.: Советское радио, 1976-1978.
• Ощепков П. К. Жизнь и мечта. — М.: Московский рабочий, 1984.
• Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. — М.: Радио и связь, 1976.
• Ширман Я. Д. Теоретические основы радиолокации. — М.: Советское радио, 1970.
• Горелик Г. С. Колебания и волны. — М.: Физматлит, 1959.
• Документация и технические описания РЛС «Воронеж», С-400, ДМРЛ (открытые источники Минобороны РФ и Росгидромета).