В радиолокации используются радиоволны с длиной волны, приходящейся на сантиметровый (реже дециметровый) и миллиметровый диапазоны. Сам же вид излучаемого сигнала оказывается достаточно прост. Как правило, это последовательность коротких во времени импульсов, следующих один за другим через время, много превосходящее длительность этих импульсов. Ширина спектра таких сигналов Δf в подавляющем большинстве случаев оказывается во много раз меньше несущей частоты излучаемого сигнала f0, то есть у радиолокационных сигналов (за исключением особых случаев) отношение Δf /f0 << 1. Для функций U(t), обладающих таким свойством (узкополосные сигналы), как это впервые показал Гильберт, допустимо представление

U(t) = A(t)cos(2πf0 t + φ(t)), (1)

где A(t) и φ(t) - медленно за период высокой частоты Т = 2π/f0 меняющиеся во времени функции. Оказывается, такое на вид простое представление, каковым является выражение (1), несет в себе серьезную проблему, превращающую радиолокацию с точки зрения решения стоящих перед ней задач в класс особых наук, что крайне принципиально.

Отраженная радиоволна, естественно, будет также иметь вид, определяемый равенством (1). Если цель неподвижна, то частота отраженного сигнала не изменится, а изменения претерпят лишь его амплитуда и фаза.

Облучению подвергнутся также все остальные цели и, в частности, те из них, которые расположены на том же расстоянии от радиолокационной станции (назовем эти цели, например, 2 и 3), что и исследуемая цель 1.

Естественно, что радиоволны, отраженные от целей 1, 2 и 3, одновременно достигнут точки 0, где расположена радиолокационная станция. В этом случае сигнал в точке 0 найдется простым сложением трех сигналов типа того, что определено равенством (1). Это значит, что и суммарный сигнал будет также иметь тот же вид, что и представление (1), независимо от того, присутствует или отсутствует обнаруживаемая цель.

Это значит, что независимо от ситуации наличия или отсутствия цели в общем случае на входе радиолокационного приемника всегда присутствует сигнал одного и того же вида – квазигармоническое колебание.

Следующий важный вопрос состоит в том, чтобы выяснить, а что вообще несет в себе радиолокационная информация, то есть, иными словами, а что вообще можно получить из радиолокационных измерений. Для получения ответа на этот вопрос отвлечемся от воздействия помех и влияния среды распространения радиоволн. Чтобы такая картина представлялась реальной, можно просто считать, что интенсивность волны, отраженной от исследуемой цели, существенно превосходит соответствующие величины для помехового сигнала. Итак, приступим к поиску ответа на поставленный вопрос. Для этого, прежде всего, выберем некоторую ортогональную систему координат (X,Y), в которой в дальнейшем будем проводить анализ протекающих процессов. Сначала будем считать, что излучается радиоволна, у которой электрический вектор Erad имеет только X-компоненту (горизонтальная поляризация). Если не накладывать никаких дополнительных ограничений, то электрический вектор отраженной радиоволны Eref в общем случае будет иметь иную, чем вектор Erad , ориентацию в пространстве. Иными словами, в выбранной системе координат поле Eref будет иметь два компонента (Ex)ref и (Ey)ref. Ясно также, что между интенсивностями отраженной и излученной радиоволн (а стало быть, между длинами векторов Eref и Erad) имеет место прямая пропорциональность. Это приводит к тому, что (Ex)ref будет пропорционально (Ex)rad , прямая пропорциональность будет также между (Ey)ref и (Ex)rad.

Обозначим соответствующие коэффициенты пропорциональности соответственно SXX и SXY , то есть

(EX)ref = SXX (EX)rad ,

(EY)ref = SXY (EX)rad . (2)

Если вернуться к представлению радиолокационного сигнала в виде выражения (1), то у каждого из компонентов отраженной радиоволны в общем случае после отражения от цели появится некий фазовый сдвиг по отношению к излученной радиоволне.

Запишем временное представление для ортогональных компонентов электрического вектора отраженной радиоволны в следующем виде:

(EX(t))ref = SXX A(t)cos(2pf0 t + j(t) + ψXX),

(EY(t))ref = SXY A(t)cos(2pf0 t + j(t) + ψXY). (3)

Как видно из формулы (3), при облучении цели горизонтально поляризованной радиоволной отраженная радиоволна определяется некоторыми четырьмя параметрами, характеризующими радиолокационную цель: SXX , SXY , ψXX , ψXY.

К аналогичному результату мы придем, если будем рассматривать радиоволну, имеющую лишь одну Y-компоненту (вертикально поляризованная радиоволна). В этом случае мы выйдем на другие четыре характеристики радиолокационной цели:

SYY , SYX , ψYY , ψYX .

В общем случае, если излученная радиоволна имеет произвольную поляризацию, то есть два компонента электрического вектора (EX)rad и (EY)rad , полное описание радиолокационной цели может быть проведено при помощи упомянутых выше восьми чисел.

Однако, как это следует из электродинамики, перекрестные элементы в перечисленном перечне характеристик оказываются равными, то есть SXY = SYX и ψXY = ψYX . Сказанное означает, что цель описывается не восьмью, а шестью числами. Если опираться на реальности измерений, то сомнительной представляется надежность абсолютных измерений амплитуд и фаз. Именно поэтому речь, конечно, может идти об относительных измерениях, а стало быть, об относительных и нормированных характеристиках. При таком подходе число определяющих радиолокационную цель параметров сокращается до четырех, в качестве которых могут, например, выступать следующие: SXX/SYY , SXY /SYY , ψXX - ψYY ,ψXY - ψYY .

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦЕЛЕЙ. ИНДИКАТОРЫ РАДИОЛОКАТОРА

Когда антенна локатора излучает зондирующий импульс, то требуется определенное время t1, чтобы он дошел до цели. При скорости распространения волн с, много большей скорости перемещения цели Vц, можно пренебречь смещением цели ΔD за это время: если Vц<<C то ΔD=Vцt1 << D = Ct1.

Как только волны дойдут до цели, она становится вторичным излучателем, и часть энергии отраженных ею волн идет обратно к антенне локатора. Отраженный импульс дойдет до локатора за время t2 - t1 (что является следствием того же условия Vц<<C), поглотится его антенной и попадет на вход приемника. Энергия волн превращается в энергию электрического тока на входе приемника и усиливается для последующей передачи сигнала на индикаторы и измерительные устройства локатора. Заметьте, что здесь полезным процессом является уже поглощение антенной энергии волн, а не вторичное излучение, теперь ставшее вредным процессом!

Суммарное время t1 + t2 – 2t1 есть время запаздывания t3 отраженного импульса относительно зондирующего. При условии постоянства скорости распространения волн (что с высокой степенью точности справедливо для скорости света в атмосфере) измерение дальности в радиолокации сводится к измерению этого времени запаздывания согласно формуле D = C*t3/2.