Текст статьи Лившиц М. С. Эхолокация // Квант. — 1973. — № 3. — С. 8—14.
Встречающиеся 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 определения местонахождения различных объектов с помощью радиоволн (радиолокация) или звуковых волн (звуколокация).
Волны. Колебания. Излучение
Когда говорят о волнах, то мы невольно представляем себе волны на воде. Это — единственный по-настоящему наглядный вид волн. Звуковые волны — волны сжатия и разрежения в упругой среде — уже непросто представить; и ещё больше усилий требуется, чтобы представить радиоволны и световые волны.
Неожиданно трудно, оказывается, даже дать точное определение понятия волны. Пожалуй, наиболее общим будет такое:
Волна — это процесс, при котором пространственное распределение некоторой физической величины периодически изменяется со временем.
В простейшем случае, который мы и наблюдаем на воде, волны представляют собой периодическое чередование горбов и впадин. Для волн другой физической природы под «горбом» следует понимать то место в волне, где данная физическая величина (например, плотность среды в случае звуковых волн, напряжённость электрического или магнитного поля в случае электромагнитных волн) достигает максимального значения, а «впадиной» — то место, где эта величина достигает минимального значения.
Расстояние между двумя соседними горбами (или впадинами, или другими точками, находящимися в одинаковых состояниях) называется длиной волны и обозначается
Если сосредоточить внимание на какой-то точке в пространстве, где существуют волны, то мы обнаружим периодическое изменение соответствующей физической величины только во времени, называемое колебанием. Имеется самая тесная связь между колебаниями и волнами. Оказывается, волна, представляющая собой совокупность колебаний во всех её точках, не возникает сама по себе. Есть некоторые особые точки, колебания в которых являются источниками волны. В связи с этим уместно привести ещё одно определение волны.
Волна — это процесс распространения колебаний в среде.
Действительно, для того чтобы существовали волны на воде, надо бросить в неё камень или погрузить в неё какой-то вибратор (например, колеблющийся стержень). Звуковые волны существуют, если мы говорим или дрожит струна скрипки. Радиоволны существуют, если есть радиопередатчик с антенной. И так далее.
Имеет место и обратный процесс: если на пути волны, распространяющейся в некоторой среде, окажется предмет, свойства которого отличаются от свойств среды, в нём возникают колебания. При этом частично может произойти поглощение волны (то есть переход энергии волны в тепло). Но главным результатом обычно является то, что данный предмет сам становится источником волн, называемых вторичными.
Математически связь между колебаниями и волнами выражается зависимостью длины волны
Длина волны есть расстояние, на которое перемещается возмущение в среде за время одного колебания излучателя.
Во многом первичный и вторичный излучатели сходны. В первую очередь это сходство проявляется в одинаковом характере зависимости эффективности действия излучателя
Общий вид зависимости (см. рис. 2) одинаков для волн различной длины и любой физической природы. Обратите внимание на кажущуюся парадоксальной особенность графика: когда размер излучателя становится больше
Как же объяснить зависимость, 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 возмущений, производимых в среде различными участками первичного излучателя (и обратного воздействия — для вторичного излучения). Поэтому главное — понять наиболее характерную особенность графика: резкий максимум эффективности излучателя при
В самых общих чертах этому можно дать следующее объяснение. При размерах излучателя
Диаграмма направленности
От размеров и конфигурации излучателя зависит не только его эффективность, но и распределение энергии излучаемых им волн по различным направлениям — так называемая диаграмма направленности излучателя.
Такая же диаграмма относится и к колебаниям, возбуждаемым в антенне при попадании на неё волн (в этом заключается так называемая теорема взаимности в теории излучений).
Диаграмма направленности представляет собой кривую распределения интенсивности излучения по различным направлениям. На рисунке 3 в качестве примера показана диаграмма направленности электромагнитного полуволнового излучателя (вибратора): а) в меридиональной плоскости (то есть в плоскости, в которой лежит излучатель) и б) в экваториальной плоскости (то есть в плоскости, перпендикулярной вибратору, а значит, и направлению электрических колебаний в нём).
Из рисунка видно, что электромагнитный полуволновой вибратор не излучает вдоль направления колебаний в нём и, наоборот, максимально излучает в перпендикулярном направлении. В экваториальной плоскости излучение вибратора равномерно по всем направлениям.
Импульс волн. Разрешающая способность локатора
Теперь 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 приёмник не попадало.
Так возникает основная особенность подавляющего большинства локаторов: работа в импульсном режиме. Это значит, что первичный излучатель периодически излучает группу волн (импульс длительностью
Чем короче импульс, излучаемый антенной локатора (зондирующий импульс), тем большее число целей в том же объёме пространства можно обнаружить раздельно. Действительно, если дальность до двух целей отличается на такую величину, что вторичные (отражённые) цуги (то есть группы) волн от них не перекрываются, цели будут наблюдаться локатором раздельно (рис. 5).
Таким образом, длительность импульса определяет так называемую разрешающую способность по дальности
Кроме того, раздельное наблюдение нескольких целей, направления на которые различны, обеспечивается использованием излучателей с узкой диаграммой направленности (рис. 6).
Рис. 6. Цель 1 видна, а цель 2 при этом не наблюдается
Здесь уже говорят о разрешающей способности по углу. Действительно, если направления на цели отличаются на угол, больший, чем ширина диаграммы направленности (угол
Выбор диапазона волн для локации
Теперь мы достаточно подготовлены, чтобы понять, почему в радиолокации используются ультракороткие радиоволны (УКВ), то есть волны, длина которых лежит в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах.
Рассмотрим несколько причин.
Для УКВ легко обеспечить приемлемые размеры антенн радиолокаторов, обладающих узкой диаграммой направленности (для обеспечения хорошего разрешения по углам) и достаточной интенсивностью излучения, так как основной элемент таких антенн — полуволновый вибратор:
Размеры обычных целей (самолёты, корабли) будут достаточно велики по сравнению с применяемыми длинами волн, что благоприятствует увеличению интенсивности отражённых сигналов (в соответствии с ходом кривой при
$d\gg\dfrac\lambda2$ на рисунке 2).Технически трудно сформировать импульс короче хотя бы десятка длин волн, поэтому чем меньше
$\lambda$, тем легче обеспечить формирование такого импульса, а значит, получить хорошее разрешение по дальности.
Принцип измерения дальности и угловых координат
Полное определение местоположения цели в пространстве требует знания трёх координат в некоторой системе координат. Для локаторов такой «естественной» системой координат, т. е. наиболее соответствующей характеру используемых в них физических явлений, будет сферическая (рис. 7). В ней положение точки определяется следующими координатами: радиусом-вектором
Таким образом, для локации необходимо уметь измерять дальность и угловые координаты.
Когда антенна локатора излучает зондирующий импульс, то требуется определённое время
Суммарное время
Приведённая формула тем точнее, чем меньше смещение цели за время задержки.
Поясняют принцип измерения дальности временные диаграммы на рисунке 8.
Рис. 8.
Какие промежутки времени и с какой точностью приходится измерять в радиолокации?
Обычно должны измеряться дальности в десятки километров с ошибкой, не превышающей десятков метров. Значит, как можно подсчитать по формуле (1) (скорость света
Для определения угловых координат существуют различные методы, но общим принципом является использование направленности излучения и приёма волн.
Наиболее простым методом, основанным на этом общем принципе, является фиксация каким-либо измерителем углов положения вращающейся антенны в момент, когда отражённый от цели импульс достигает максимума (рис. 9).
Индикаторы
Для более ясного представления о том, как осуществляется измерение координат в радиолокаторах в соответствии с рассмотренными принципами измерения дальности и угла, познакомимся с применяемыми для этой цели индикаторами.
В качестве примеров рассмотрим два типа индикаторов.
Первый из них обеспечивает наглядное представление всей обстановки в окружающем пространстве; второй же благодаря своей простоте может применяться в отдельных устройствах радаров (так часто называют радиолокаторы).
Почти во всех локаторах имеется индикатор кругового обзора. В нём электронный луч перемещается так, что его «остриё» вычерчивает на экране радиальную линию (от центра к краю экрана). Этим осуществляется так называемая развёртка по дальности: положению светящейся точки в центре экрана соответствует нулевая дальность (местоположение локатора в момент посылки зондирующего импульса), а положению светящейся точки на краю экрана соответствует предельная дальность обнаружения. Между этими точками размещается вся шкала дальности локатора.
Направление, по которому прочерчивается радиальная прямая, определяется азимутом излучения радиоволн антенной радара, т. е. при вращении диаграммы направленности антенны («луча» антенны) синхронно (одновременно) вращается и развёртка. Угол места в таком индикаторе не определяется.
При отсутствии отражающих объектов электронный луч «погашен». Отражённый от объекта сигнал «отпирает» луч, и в соответствующем месте экрана возникает светлое пятно (типовое изображение на экране представлено на рисунке 10). Для того чтобы всю картину видеть одновременно, в этих индикаторах применяется такой люминесцирующий экран, что свечение, возбуждённое в любом месте его, длится всё время, пока «луч» антенны совершает один оборот.
Рисунок номер 10 Простейшим индикатором является индикатор, на экране которого по горизонтальному диаметру осуществляется развёртка по дальности, а величина отклонения пятна по вертикали (амплитуда импульса) определяется величиной сигнала от цели (рис. 11).
Рисунок номер 11 В этом индикаторе применяют экран без послесвечения, и картина меняется по мере того, как антенный «луч» 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 помехи
Каждое техническое достижение несёт в себе и свою слабость, для преодоления которой приходится ещё глубже вникать в физику используемого явления. Это можно увидеть на нескольких поучительных примерах из радиолокации.
В условиях горной местности экраны индикаторов оказываются «забитыми» так называемыми «местниками», то есть импульсами, отражёнными от холмов, скал и других неровностей местности. Это затрудняет или делает даже невозможным обнаружение полезных сигналов от целей. То же самое наблюдается и вблизи крупных населённых пунктов.
Большие помехи создаются также отражениями от различных облаков, туч и тому подобного.
Как мы уже говорили, при размерах неоднородностей, близких к
$\dfrac\lambda2$, вторичное излучение от них сильно возрастает. Поэтому такие полуволновые отражатели используются в борьбе с радиолокацией для создания ложных «целей» (пассивные помехи). Оказывается, достаточно нескольких сотен грамм фольги или металлизированного стекловолокна, чтобы создать такой же отражённый импульс, как от самолёта.Значит ли это, что ни с «местниками», ни с пассивными помехами ничего нельзя сделать? Конечно, нет.
Дело в том, что источники «местников» вообще неподвижны, а облака и пассивные помехи движутся со скоростью ветра, которая обычно много меньше скорости самолёта. Вот это-то и используется для устранения помех, Принцип действия одного из соответствующих устройств связан с так называемым череспериодным вычитанием. Суть последнего заключается в следующем: если сигналы, полученные при двух последовательных зондированиях, подавать на индикатор одновременно, но с противоположными знаками, то местники уничтожатся, а сигналы от быстродвижущихся целей, изменивших за период повторения своё положение, сохранятся.
Поступающие на приёмник радара сигналы от целей на много порядков слабее, чем зондирующий импульс. Следовательно, для радара характерно сочетание большой мощности зондирующего импульса передатчика с высокой чувствительностью приёмника. Только так можно обеспечить большую дальность обнаружения целей.
Но эта сила радара немедленно превращается в его слабость.
Во-первых, мощные зондирующие импульсы локатора могут быть обнаружены на самолёте задолго до обнаружения самолёта локатором (ибо при этом радиоволны совершают путь «в один конец»).
Во-вторых, можно легко «забить» высокочувствительный приёмник локатора ложными сигналами передатчиков помех, устанавливаемых на самолёте (эти передатчики могут также сбрасываться с парашютом и т. п.).
Так возникает ещё один способ борьбы с радиолокацией — с помощью активных помех. Однако находятся способы преодолеть и их.
Особенности звуколокации
Для звуколокации существенно, 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, пытаться применить звуколокацию для определения координат современного сверхзвукового самолёта: звук просто не догонит его. Для гидролокации (звуколокации в воде) дело обстоит лучше: скорость звука в воде равна примерно 1500 м/с, а скорость перемещения «цели» под водой гораздо меньше (порядка 10 м/с). Кроме того, в пользу гидролокации говорит ещё одно важное соображение: электромагнитные волны очень плохо распространяются в воде (сильно затухают, так как вода, особенно морская, довольно хороший проводник). Поэтому без звука в воде не обойтись.
Что же касается живой природы, то не только в воде, но и в воздухе скорость звука вполне обеспечивает успех эхолокации. Вот почему «живые локаторы» используют звуковые волны (точнее, ультразвук). Напомним, что слышимые человеком звуки охватывают диапазон частот колебаний от 20 до 20 000 Гц. Звуки более высокой частоты, чем 20 000 Гц, и называются ультразвуками.
Одни из самых совершенных «живых локаторов» — летучие мыши — используют для локации ультразвуковые волны в воздухе, соответствующие частотам примерно от 50 кГц до 100 кГц. А дельфины, использующие ультразвуки в воде, «работают» на ещё более высоких частотах.