Краткое описание и примеры применения метода

Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии — георадиолокация, в англоязычной литературе этот метод называется «Ground Penetrating Radar» или GPR.) основан на изучении распространения электромагнитных волн в среде. Идея метода в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости. . Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами и т.д. (схема образования волновой картины представлена на рис.).

Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от трубы, залегающей на глубине Н и волны, отраженной от границы раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями: глубинный (а.) и временной (б.) разрезы.

Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представления результатов. Первая группа включает в себя геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, такие как картирование:

  • поверхности коренных пород под рыхлыми осадками;
  • уровня грунтовых вод и границ между слоями с различной степенью водонасыщения;
  • песка, глины, торфа и т.д.;
  • мерзлых грунтов;
  • определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений;
  • толщины льда и снега.

Вторая группа задач включает в себя поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушение штатной ситуации, например:

  • поиск подземных полостей;
  • обследование мостов и дорожного покрытия;
  • картирование коммуникаций(трубопроводов и кабелей);
  • обследование бетонных конструкций;
  • засоленных почв;
  • участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта — рекультивированных земель, засыпанных выемок.

Т.о. в настоящее время георадар широко применяется в исследованиях при относительно небольшой глубине залегания целевых объектов(0 .2 — 15 метров) за исключением изучения ледников и мерзлых пород, в которых, благодаря высоким сопротивлениям, глубинность повышается.

Георадар — цифровой, портативный, переносимый одним оператором геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок. Во время зондирования оператор в реальном времени получает информацию на дисплее в виде радиолокационного профиля(называемого радарограммой). Одновременно данные записываются на жесткий диск компьютера для дальнейшего использования (обработка, распечатка на принтере, интерпретация и т.д.).

Набор сменных антенных модулей обеспечивает возможность зондирования в большом диапазоне частот(16 - 2000 МГц). Применение той или иной антенной системы определяется решаемой при зондировании задачей. Повышение частоты зондирования приводит к улучшению разрешающей способности; но при этом увеличивается затухание электромагнитной волны в среде, что приводит к уменьшению глубины зондирования; и наоборот, снижением частоты можно добиться увеличения глубины зондирования, но за это придется заплатить ухудшением разрешающей способности. Кроме того, со снижением частоты увеличивается зона начальной нечувствительности (т.н. мертвая зона) георадара.

Ниже приведена таблица зависимости разрешающей способности, мертвой зоны и глубины зондирования в зависимости от применяемой антенны. Предполагается, что зондируется грунт с относительной диэлектрической проницаемостью равной 4 и удельным затуханием 1-2 дБ/метр. Под глубинностью имеется в виду глубина обнаружения плоской границы с коэффициентом отражения 1. Следует иметь в виду, что эти данные весьма приблизительны, они сильно зависят от параметров зондируемой среды.

Параметр Центральная частота
2 ГГц 900 МГц 500 МГц 300 МГц 150 МГц 75 МГц 38 МГц
Разрешение, м 0.06 — 0.1 0.2 0.5 1.0 1.0 2.0 4.0
Мертвая зона, м 0.08 0.1-0.2 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0 2.0 4.0
Глубинность, м 1.5-2 3-5 7-10 10-15 7-10 10-15 15-30

Современные георадары сконструированы для работы в труднодоступных районах с неблагоприятным климатом и могут применяться в любое время года(рабочая температура георадара -20…+40°С).

Ниже приведены примеры применения метода при решении некоторых(очень немногих) задач.

Обнаружение трех металлических труб, зарытых в землю на глубину 1 — 1.5 метра. Каждая труба дает траекторный сигнал в виде гиперболы, вершина которой соответствует ее местоположению. Частота зондирования 900 МГц. Место зондирования — около г. Даугавпилс, Латвия.
Обнаружение карстовой полости в известняке под слоем суглинка. Полость(обведена окружностью) видна в левой части профиля в виде чередующихся полос. Суглинок отображен вверху как непрерывный сигнал. Частота зондирования 300 МГц. Место зондирования — берег Мертвого Моря, Израиль.
Зондирование кирпичной стены. В середине профиля четко виден сигнал от встроенного в стену металлического шкафа. Частота зондирования 2 ГГц. Место зондирования — г.Рига, Латвия.
Профилирование озера со дна пластиковой лодки. Использовалась 500 МГц экранированная антенна. В иле очень хорошо видны металлические объекты(на рисунке обозначены МО).
Этот профиль получен при зондировании стены штрека соляной шахты. Хорошо видны сигналы в виде множества гипербол от соседнего штрека. Расстояние между штреками примерно 7.5 метров. Частота зондирования 500 МГц. Место зондирования — г. Мирный, Россия.

30 /11
2018

Применение лазерного сканирования при информационном моделировании зданий

Современные задачи, возникающие при проектировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений требуют представления данных в трёхмерном пространстве, с высокой точностью и полнотой описывающих взаимное расположение частей зданий, сооружений, ситуацию и рельеф.

Это приборы, работающие на принципе локации. т.е использования определенных э/ магнитных волн (э/маг волны метрового и дециметрового диапазона): они имеют свойство при проникновении через материалы (песок,щебень, жидкости) отражаться от встреченного на их пути инородного предмета и тем самым фиксировать его наличие в изучаемой среде

В настоящее время представлена таможенная служба располагает следующими ТС локации (подповерхностного зондирования):

Прибор подповерхностного зондирования « Око»

Прибор подповерхностного зондирования «Зонд – М»

Портативный радиотехнический прибор дистанционного зондирования

(РПДЗ) «Зонд-М является более современным автоматизированным техническим средством таможенного контроля и предназначен для оперативного досмотра (поиска и обнаружения посторонних вложений) сыпучих, навалочных и гомогенных (однородных) грузов, в том числе пакетированных (короба, тюки, мешки и т.д.), размещаемых в кузовах транспортных средств, железнодорожных вагонах (платформах) и трюмах судов.

Рис.3.22 Прибор подповерхностного зондирования «Зонд – М»

Устройство и работа прибора.

Для подповерхностной радиолокации используются короткие импульсные сигналы. Для формирования таких импульсов используется возбуждение широкополосной антенны перепадом напряжения передним фронтом малой длительности. Блок управления, обработки и индикации формирует двухмерное изображение принятых сигналов и выводит их на монитор в реальном масштабе времени.

Для связи с внешним компьютером, в том числе для формирования

трехмерного изображения, в приборе предусмотрен специальный разъем и кабель.

Правильность интерпретации получаемых локационных карт во многом зависит от опыта и знаний оператора.

4. Технические средства поиска спец предметов тпн

К этой группе ТС относятся:

Рассмотренные выше ТС досмотра и поиска (механического, оптико- механического действия; спец меточные средства; рентгеноаппаратура; радиолокационная аппаратура)

Оборудование и приборы, использующие различные газоаналитические и химические методы контроля наличия предметов ТПН

Использование экспресс- тестов для химического анализа объектов- это химические комплекты, содержащие различные реактивы, позволяющие предварительно выявить наличие тех или иных НВ,ПВ или ВВ в объектах контроля (Например. капельный тест «Вираж ВВ», «Наркоцвет» и др.)

Биологичекие методы (использование специально обученных собак)

4.1.Газоаналитические методы контроля проб воздуха и тс на их основе

основаны на анализе проб воздуха, взятого из объекта контроля, на предмет наличия ЦВ различными способами (масс- спектрометрия, газовая хроматография и др.)

К оборудованию и приборам, использующие различные газоаналитические и химические методы контроля наличия предметов ТПН относятся:

Газоанализаторы переносные (например, детектор « SABRE 2000» см. рис.3.23;

Газоанализаторы стационарные (например, Комплекс «ITEMISER–C» см. рис.3.24 ;Дрейф- спектометр «Гриф –1» (Экспресс – обнаружитель ЦВ)- рис.3.25

Газоанализаторы переносные

Рис.3.23 Детектор « SABRE 2000»

Газоанализаторы стационарные

Рис.3.24 Комплекс «ITEMISER – C»

Дрейф- спектометр «Гриф –1» (Экспресс – обнаружитель ЦВ)

Рис. 3.25. Экспресс- обнаружитель "ГРИФ-1"

Назначение

для обнаружения ЦВ с помощью газовой масс- спектрометрии

Принцип действия:

это газоаналитический прибор, работающий на принципе использования масс- спектрометрии: разложении исследуемой пробы воздуха на спектры и изучение их на предмет наличия ионов ЦВ

Устройство:

Моноблок, оснащенный предварительным концентратором пробы (далее концентратором),

Встроенный монитор, -Клавиатура - Аккумуляторным блок, заключенный в пластиковый корпус размером 30x29x12 см

Режимы работы:

Прибор обнаруживает и распознает целевые вещества. Предусмотрена работа прибора в трех режимах:

- режим "А" (атмосфера) - режим работы с летучими парами ЦВ, имеющими высокую испаряемость

- режим "Н" (Н- нагреватель) - режим работы со следовыми количествами малолетучих ЦВ с применением нагревателя и салфетки для сбора пробы

-режим "АКН" (атмосфера, концентратор и нагреватель) -- режим работы с летучими парами и низкой испаряемостью с применением концентратора и нагревателя

Выбор классов распознаваемых целевых веществ (ВВ, НВ, ОВ) производится с клавиатуры.

Принцип работы экспресс – обнаружителя «Гриф-1»

Насос Дрейфовые Направление кольца ионного тока

Источник ионизации (коронный разряд)

Коллектор

Забор воздуха (пробы )

Запирающая сетка (ионный затвор )

Система ци клической продувки области дрейфа

Направление циркуляции газа в системе циклической продув

Работа прибора (в режиме «А») : 1.Проба воздуха через отверстие « Забор воздуха(пробы)» с пом. вихревого эффекта (дрейф), создаваемого вентилятором, попадает в ионизатор 2. В ионизаторе с помощью источника ионизации воздух частично ионизируется (атомы превращаются в заряженные частицы- ионы) Не заряженные молекулы воздуха откачиваются насосом 3. Ионы через запирающую сетку попадают в дрейфовую трубку и под действием э/тока двигаются к коллектору с различной скоростью в завис от размеров, степени поляризации. Это позволяет построить ионный спектр определенного ЦВ, по кот он и определяется. При этом подается сигнал «тревога» и включается световой сигнал. Т.к. пары имеют высоко испаряемые ЦВ, они в режиме «А» детектируются без нагрева. 4. Для ЦВ с низк. испаряемостью- режим «АКН»: применяется нагреватель воздуха (Н) и концентратор для накапливания паров (К) – Для малолетучих веществ – исп. режим «Н»- с прим. нагревателя для повышения летучести.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2348945

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.

Известно , стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию: в том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.

При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.

Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.

3. Патент FR 2626666.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.

Разрешающая способность РЛС - возможность раздельно наблюдать и измерять координаты и параметры движения близко расположенных целей.

Выделим в зоне обзора четыре соседних элементарных объема 1, 2, 3, 4 (рис. 2.1, б), в каждом из которых находится одна точечная цель. Элементы 1 и 2 имеют одинаковые угловые координаты, но отличаются по дальности на величину , элементы 1, 3 отличаются только по азимуту наи 1,4 -только по углу места на, причем все цели наблюдаются раздельно. Будем сокращать каждую из величин,,до тех пор, пока раздельное наблюдение целей станет невозможным. Тогда объем 1 и будетразрешаемым объемом и его элементами ,,оценивается разрешающая способность станции по дальности, азимуту и по углу места.

Разрешающая способность по дальности оценивается минимальным расстоянием между двумя находящимися на одном направлении целями, при котором эти цели наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по азимуту оценивается минимальной разностью азимутов двух целей с одинаковыми дальностью и углом места, при которой эти цели еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по углу места оценивается минимальной разностью углов места двух целей с одинаковыми дальностью и азимутом, при которой эти цели, еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по скорости оценивается минимальной разностью радиальных скоростей двух целей с одинаковыми координатами при которой эти цели еще наблюдаются раздельно. В принципе достаточно разрешения целей по одной координате или по скорости.

Таким образом, разрешающая способность РЛС является тактической характеристикой, определяющей возможности РЛС разделять близко расположенные объекты и их элементы при их зондировании.

1.3. Точность измерения координат и параметров объектов

Ошибки измерений разделяются на грубые, систематические и случайные.

Грубые ошибки - результат грубого просчета оператора или следствие возникшей в аппаратуре неисправности. Такие погрешности значительно больше остальных ошибок в данном ряду измерений, и поэтому они легко выявляются.

Систематические ошибки вызываются длительно действующими факторами, например, задержкой сигнала в целях РЛС или несовершенством метода измерений. Такие ошибки в той или иной мере компенсируются калибровкой аппаратуры.

Случайные ошибки зависят от случайных обстоятельств, которые неподдаются предварительному учету.

Например, произведено 100 измерений дальности цели с помощью некоторого гипотетического радиодальномера. При этом случайные ошибки распределились по группам согласно табл. 2.1. Ошибки м наблюдались в 4 опытах, что соответствует частоте ошибок, ошибким наблюдались в 6 опытах, т. е. их частотаи т. д.

Таблица 2.1- Распределение случайных ошибок измерений по интервалам

Группы ошибок , м

Среднее значение интервала ошибок , м

Число измерений

Частота ошибок

Среднее значение случайных ошибок (черточка - знак усреднения) равно сумме произведений ошибок, точнее, средних значений интервалов , на их частоту:

Полученный результат неточный, так как отличается от математического ожидания . Так называют среднюю ошибку, которую следует ожидать по результатам многократных измерений и которая вычисляется при делении диапазона ошибокх на бесконечно малые интервалы . Только тогда выявится строгая закономерность случайных ошибок и частота их будет называтьсявероятностью ошибок .

Данные таблицы иллюстрируются посредством прямоугольников с основанием, равным интервалу ошибок , и площадью, равной соответствующей частоте ошибок(рис. 2.2). Когдаи, площади прямоугольников выражают вероятности появления случайной ошибкив данном бесконечно малом интервале ошибок, и вершины прямоугольников попадают на кривую, называемуюкривой распределения ошибок. Ординаты этой кривой (поскольку высота прямоугольника равна частоте ошибок , деленной на) являются производной от вероятности ошибкипо ее текущему значению х .

Полученная производная может быть названа плотностью вероятности случайных ошибок

(2.1)

Рис. 2.2. Гистограмма и кривая распределения ошибок

Площадь под кривой распределения, выражающая суммарную вероятность ошибок, равна единице . Эта сумма распределяется непрерывно по всем значениям случайных ошибок. Следовательно, вероятность появления данной ошибки бесконечно мала, но плотность вероятности, как предел отношения двух бесконечно малых величин, величина конечная. Вот почему по оси ординат кривой распределения откладывают плотность вероятности, а не самувероятность ошибок.

Случайные ошибки измерений, как и многие другие случайные явления врадиолокации, возникают под действием многих независимых инезначительных по своему действию факторов, вероятность появления каждогоиз которых подчиняется нормальному закону распределения :

(2.2)

где - плотность вероятности появления случайной величиных ; - среднее значение (математическое ожидание) величиных ; - дисперсия случайной величиных ; σ - среднеквадратическое отклонение, равное корню квадратному из дисперсии; е - основание натурального логарифма.

Если измерения производятся в неизменных условиях, то каждое значение случайной ошибки х появляется с равной вероятностью как со знаком +, так и со знаком -. Поэтому кривая распределения (плотность распределений вероятностей) симметрична относительно оси ординат и среднее значение, т. е.центр распределения случайных ошибок равен нулю . Тогда

(2.3)

Из формул (2.2), (2.3) следует, что качество измерений тем выше, чемменьше дисперсия (рассеяние) ошибок, так как тогда понижается вероятность появления больших случайных ошибок. Кроме того, дисперсия суммы случайных величин равна сумме дисперсий слагаемых, что справедливо не только для нормального закона распределения. Например, пусть в неизменных условиях произведено п независимых измерений какого-либо параметра. Тогда случайные ошибки каждого измерения имеют одинаковую дисперсию, которую обозначим , а дисперсия суммы ошибок вп раз больше .Среднеквадратическое значение этой суммы. Но результатп измерений определяется как среднеарифметическое результатов отдельных измерений, поэтому среднеквадратическая ошибка

т. е. с увеличением числа п опытов (измерений) некоторой величины, произведенных в неизменных условиях, среднеквадратическая ошибка уменьшается в раз, так как рассеяние случайных ошибок сказывается все меньше и меньше.

Таким образом, ошибки радиолокационных измерений разделяются на грубые, систематические и случайные. Наиболее сложно компенсировать случайные погрешности. Для этого необходимо увеличивать количество измерений.

Лившиц М. Разрешающая способность измерительных приборов //Квант. - 2002. - № 3. - С. 35-36.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Всем известно, что микроскоп нужен для того, например, чтобы пересчитать число микробов на предметном столике, телескоп - чтобы пересчитать звезды на небе, радиолокатор - чтобы установить число летательных аппаратов в небе и расстояния до них.

В этой статье речь пойдет о важнейшем свойстве физических приборов - их разрешающей способности, т.е. величине наименьших деталей объектов измерения, различаемых в процессе измерения. Именно разрешающая способность является главной характеристикой качества применяемого измерителя (даже более важной, чем точность измерений). Например, не только от увеличения микроскопа зависит его качество. Если устройство микроскопа не обеспечивает раздельное восприятие достаточно мелких деталей объекта, то получаемое изображение не улучшится даже при значительном росте увеличения. Мы получим только более крупную, но такую же нечеткую картинку рассматриваемого предмета. Кроме того, сами ошибки измерения могут быть определены только после разрешения, т.е. после выделения данной детали объекта из других.

Покажем, какие физические свойства дистанционных (неконтактных) измерителей непосредственно влияют на получающееся при их использовании разрешение и какими методами можно добиться улучшения разрешающей способности таких приборов.

Сначала дадим количественную оценку. Чем более мелкие детали объектов могут быть выделены данным прибором в процессе измерения, тем лучше (выше) его разрешающая способность. Для различных приборов существуют различные определения и разные формулы для количественной оценки разрешающей способности в зависимости от целей и методов: например, оценивается ли разрешение деталей предмета (микроскоп, бинокль, телескоп) или отдельных линий в спектре излучения (призма, дифракционная решетка и другие спектральные устройства), используется ли независимость наблюдения и измерения координат нескольких целей (радиолокатор, гидролокатор, эхолокатор животного) и т.п. Однако общепринятой основой количественной оценки разрешающей способности является критерий Рэлея, первоначально установленный для случая раздельного наблюдения двух точечных источников света (разрешение двойных звезд). Его обобщение, позволяющее использовать этот критерий в самых разных случаях, осуществляется следующим образом.

Пусть входное воздействие на измерительный прибор состоит из двух пиков, отстоящих на интервал Δx ; при этом на выходе прибора от каждого пика получается «отклик» в виде более размазанного по х всплеска конечной ширины, характеризующий свойства прибора и называемый аппаратной функцией (рис.1). Тогда разрешающей способностью по Рэлею называют минимальный интервал Δx min между воздействиями двух пиков, при котором суммарный отклик еще имеет вид двугорбой кривой (рис.2,а). Если уменьшить Δx , верхушка суммарного всплеска уплощается и всплески сливаются в один (рис.2,б).

Какие же параметры волн, используемых в дистанционных измерителях, определяют величину разрешающей способности? Оказывается, таким параметром является степень когерентности волн (латинское слово «когерентный» означает «находящийся в связи»).

Прежде вспомним о когерентности колебаний. Колебания называются когерентными, если разности фаз и отношения амплитуд колебаний остаются постоянными в течение всего времени наблюдения. В простейшем случае когерентными являются два синусоидальных колебания \(~A \cos (\omega t + \alpha)\) и \(~B \cos (\omega t + \beta)\), где А , В , α и β - постоянные величины. Поскольку волновые процессы определяются колебаниями во всех точках пространства, где эти волны существуют, необходимым условием когерентности волн является когерентность колебаний, происходящих в каждой данной точке волны в течение времени наблюдения.

Более общим и кратким является определение некогерентности волн: пучки света или других волн будут некогерентными, если разность фаз между колебаниями во всех точках пространства, где эти волны существуют совместно, многократно и нерегулярным образом изменяется в течение времени наблюдения.

Теперь постараемся установить связь разрешающей способности измерителя со степенью когерентности волн. Наиболее наглядно это можно сделать на примере радиолокации - способе определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Кратко напомним принцип работы импульсной радиолокационной станции (РЛС). На рисунке 3 изображена блок-схема РЛС. Здесь 1 - передатчик, 2 - антенный переключатель, 3 - антенна, 4 - диаграмма направленности антенны, 5 - приемник, 6 - индикатор. Передатчик РЛС с помощью узконаправленной антенны производит периодическое облучение пространства кратковременными цугами радиоволн (так называемыми зондирующими, т.е. «ощупывающими», импульсами). Поворотом антенны (или другими способами) производится изменение направления излучения радиоволн и, тем самым, осуществляется последовательное зондирование большего или меньшего сектора пространства (или круговой обзор). Отраженные от различных целей импульсы поступают (обычно через ту же антенну) в приемник РЛС. При этом определение угловых координат целей основано на использовании диаграммы направленности антенны на излучение и прием. Измерение дальности D производится по измерению времени запаздывания t zap прихода отраженного от цели импульса относительно момента излучения зондирующего импульса:

\(~D = \frac{c t_{zap}}{2}\) ,

где c - скорость света. Двойка в знаменателе появляется из- за того, что время запаздывания складывается из времени прохождения зондирующего импульса до цели и такого же времени прохождения отраженного импульса до РЛС.

Разрешающей способностью РЛС по углу называется наименьшая разность углов Δα между направлениями на две цели, находящиеся на одной дальности, при которой отраженные импульсы от них наблюдаются раздельно. Легко видеть, что это соответствует простейшему случаю пространственной некогерентности: разрешаются (по углу) те цели, на которые не может одновременно попасть «освещающее» излучение РЛС, так как направления на них отличаются на ширину диаграммы направленности антенны (рис.4).

Разрешающей способностью РЛС по дальности называется наименьшее расстояние δr между двумя целями, находящимися в одном направлении, при котором они наблюдаются раздельно. В так называемых классических РЛС в качестве зондирующего импульса применялся синусоидальный цуг волн постоянной амплитуды. Это объясняется, в частности, тем, что такой цуг легко создать: достаточно на высокочастотный генератор (например, магнетрон) кратковременно подать постоянное по величине высокое напряжение. Однородность структуры цуга приводит к тому, что отраженные от различных целей волны будут иметь одинаковую частоту (если они движутся по направлению к РЛС с одинаковой скоростью или если можно пренебречь эффектом Доплера), в пределах взаимного перекрытия отраженных импульсов они будут когерентны, и разделить цели полностью не удастся. Отраженные от двух целей импульсы будут некогерентны только тогда, когда они не совпадают по времени прихода в приемник РЛС и поэтому не перекрываются на экране индикатора (рис.5).

Таким образом, разрешающая способность этих РЛС по дальности составляет

\(~\delta r = \frac{c \tau}{2}\) ,

где τ - длительность импульса. Можно сказать, что в рассматриваемой РЛС некогерентность приходящих от разных целей отраженных сигналов выступает в самом простом виде: как отсутствие их совпадения во времени.

Как видно из последней формулы, для повышения разрешающей способности по дальности необходимо уменьшать длительность импульса τ . Но это неизбежно приводит к соответствующему расширению полосы частот. Дело в том, что, с одной стороны, существует фундаментальное соотношение между длительностью τ сигнала (например, обрывка синусоиды) и шириной Δν его спектра (на шкале частот), в которой сосредоточена основная энергия импульса:

\(~\Delta \nu \approx \frac{1}{\tau}\) .

С другой стороны, вполне понятно, что дальность обнаружения цели определяется энергией зондирующего и, следовательно, вернувшегося назад импульса. Значит, при укорочении импульса приходится соответственно увеличивать мощность передатчика, что является непростой задачей.

В поисках выхода из этой ситуации в радиолокации пошли по пути увеличения ширины полосы частот импульса без изменения его длительности: путем перехода от синусоидальной к более усложненной внутренней структуре зондирующего импульса. Так появились РЛС с линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) зондирующими импульсами (рис.6). В этом случае оказывается, что соотношение между длительностью и шириной сигнала будет выполняться уже не для длительности импульса τ imp , а для времени когерентности τ kog:

\(~\tau_{kog} \approx \frac{1}{\Delta \nu}\) , где \(~\Delta \nu >> \frac{1}{\tau_{imp}}\).

Правда для этого в приемнике РЛС вводится дополнительный специальный фильтр, с помощью которого осуществляется сжатие принятого импульса до длительности τ s = τ kog . Теперь импульсы на экране РЛС будут разделяться при гораздо меньшем расстоянии между Целями, чем это было при использовании синусоидального импульса:

\(~\delta r = \frac{c \tau_s}{2} << \frac{c \tau_{imp}}{2}\) ,

Так подтверждается неразрывная связь разрешающей способности дистанционного измерителя со степенью когерентности волн: для повышения (улучшения) разрешающей способности измерителя необходимо ухудшать когерентность используемых волн.

Любопытно отметить, что в живой природе развитие в этом направлении пошло еще дальше. Например, наряду с летучими мышами, эхолокаторы которых также используют ЛЧМ зондирующие импульсы, существуют так называемые «шепчущие» летучие мыши, применяющие еще более широкополосные шумовые импульсы, т.е. высокочастотные импульсы, модулированные «белым» шумом. Они обнаруживают цели при значительно меньших мощностях излучения, при этом обеспечивается также лучшая защита их локаторов от помех, особенно от взаимных, возникающих при одновременной охоте на насекомых больших групп этих летучих мышей.