Как работает радар: от радиоимпульса до отметки цели на экране

Радар работает по принципу радиолокации: антенна излучает мощный короткий радиоимпульс, который распространяется со скоростью света, отражается от самолёта, корабля, облака или другого объекта и возвращается обратно. По времени от посылки до приёма эха вычисляют расстояние до цели, по направлению антенны определяют азимут и угол места, по сдвигу частоты вычисляют скорость. Слово «радар» образовано от английского сокращения Radio Detection And Ranging — радиообнаружение и измерение дальности.

Как радар измеряет расстояние и скорость

Расстояние до цели рассчитывается просто: скорость света равна 300 000 км/с, или 0,3 м/нс (метр в наносекунду). Если импульс вернулся через 10 микросекунд, то он прошёл расстояние 3 км туда и 3 км обратно, значит цель находится на дальности 1500 метров. Современные процессоры измеряют задержку с точностью до единиц наносекунд, что соответствует разрешению по дальности в несколько метров.

Скорость цели определяют по эффекту Доплера. Если объект движется к радару, отражённый сигнал возвращается с чуть большей частотой, чем был послан. Если удаляется, то с меньшей. Величина этого частотного сдвига пропорциональна радиальной составляющей скорости. Доплеровские радары могут отличать движущиеся автомобили от стоящих: именно этот принцип используется в дорожных радарах ГИБДД.

Разрешение по дальности зависит от длительности импульса: чем короче импульс, тем точнее система разделяет цели по расстоянию. Импульсные доплеровские радары посылают пачки импульсов с длительностью 0,1–10 мкс при частоте повторения 1–100 кГц. Между посылкой и приёмом антенна переключается в режим приёма.

Основные блоки радиолокационной станции

Передатчик формирует мощный сигнал. В классических радарах применяли магнетрон — вакуумный прибор, вырабатывающий импульсы мощностью от единиц до нескольких мегаватт. Современные станции переходят на твердотельные усилители на основе транзисторов, которые работают с меньшей пиковой мощностью, но обеспечивают высокую надёжность и возможность изменять частоту от импульса к импульсу.

Антенна направляет энергию в нужном направлении и принимает отражённый сигнал. Параболические антенны диаметром от 1 до нескольких метров вращаются механически, обеспечивая обзор по азимуту. Фазированные антенные решётки содержат сотни и тысячи излучающих элементов с управляемым фазовым сдвигом; луч формируется электронным способом и может повернуться за микросекунды без движущихся частей.

Приёмник усиливает слабый отражённый сигнал. Отношение мощности принятого эха к излучённой мощности составляет типично 10 в минус 10–15 степени, то есть в миллионы миллиардов раз меньше. Малошумящие усилители на входе приёмника добавляют минимальные помехи. Аналого-цифровой преобразователь оцифровывает сигнал, после чего цифровой процессор сигналов применяет фильтрацию, алгоритмы обнаружения и сопровождения целей.

Где применяются радары в России

Авиационные радары аэропортов обнаруживают самолёты в радиусе 400–450 км и передают данные на диспетчерские экраны. Система наблюдения обновляет обстановку каждые 4–10 секунд. Метеорологические радары отслеживают осадки, грозовые фронты и смерчи: они работают на длинах волн 3–10 см, при которых крупные капли и ледяные кристаллы хорошо отражают сигнал.

Автомобильные системы адаптивного круиз-контроля и аварийного торможения используют миллиметровые радары диапазона 77 ГГц с дальностью 150–250 метров. Корабельные радары обнаруживают навигационные опасности и другие суда. Геологи применяют георадары: зондирующий импульс проникает в грунт на глубину 1–30 метров в зависимости от частоты и состава почвы, позволяя искать трубы, кабели и пустоты без раскопок.