Институт Солнечно Земной Физики СО РАН
Отдел физики верхней атмосферы и распространения радиоволн
Шпынев Б.Г
История развития радиолокационных исследований
верхней атмосферы Земли
|
|
Институт Солнечно Земной Физики СО РАН |
|
Шпынев Б.Г
|
|
|
История развития радиолокационных исследований
верхней атмосферы Земли
|
Радиолокаторы (радары) появились в 40-х годах и обязаны своему появлению военным,
прежде всего авиации и морскому флоту. Использование импульсных радиопередающих
систем позволило определять дальность до движущихся объектов, таких, как самолеты
или корабли, и использовать эту информацию для наведения орудий или ракет.
Развитие ракетной техники в послевоенное время привело к новому витку в развитии
радаров, поскольку стало необходимо вести контроль не только за объектами в
воздухе и на воде, но и за ближним космосом. Это дало толчок к развитию средств
предупреждения ракетного нападения. Развитие космонавтики также потребовало
контроля за траекториями ИСЗ, управление их ориентацией и т.д.
Если первые радиолокаторы работали в диапазоне коротких волн КВ, то для радиолокации
в ближнем космосе потребовалось перейти к частотам, для которых ионосфера Земли
была бы прозрачна. Поскольку критическая частота максимума ионизации редко
превышает значения 11-13 МГц, рабочие частоты радаров выбирались в диапазоне
40МГц и выше. На этих частотах отражения от неоднородностей ионосферы
в средних широтах, где расположена большая часть средств наблюдения, практически
отсутствуют, следовательно, начиная с частоты 40МГц, можно было конструировать
радиолокаторы для наблюдения за космическими объектами.
Верхняя частота диапазона работы РЛС ограничивается частотами
1-2 ГГц, поскольку при длине волны поменее 2-3см, сигнал испытывает
сильное рассеяние на турбулентностях нейтральной атмосферы.
Кроме указанных ограничений, на работу радиолокаторов влияют естественные
радиоисточники: Солнце, галактический шум, отдельные звездные радиоисточники
(например, из созвездия Лебедя и крабовой туманности). В разных диапазонах длин
волн мощность радиошума разная, она максимальна в КВ диапазоне и существенно
падает на частоте выше 200 МГц.
Не только естественные природные факторы определяют характеристики радаров. Важным условием при проектировании радаров является наличие электронных устройств, способных генерировать и передавать мощное электромагнитное поле требуемой частоты, наличие антенн, способных передавать и принимать сигнал, наличие чувтвительных приемников. Поскольку требуемая дальность радиолокации составляет тысячи, и десятки тысяч километров, импульсная мощность РЛС достигает 5-6 МВт. Для генерации такой мощности необходимо использовать генераторные лампы, анодное напряжение которых часто превышает 10кВ, а для подвода мощности к антеннам требуются сложные волноводные системы. При эксплуатации этого оборудования встают вопросы охлаждения ламп и отвода тепла. Пример такой системы - зал передатчиков Иркутского радара НР
.
В диапазоне частот 40-200 МГц обычно используются многокаскадные усилители мощности
на тетродах. Для диапазона частот 300-1500МГц большую роль сыграла разработка
генераторных ламп клистронов, которые в настоящее время активно
используются на большинстве радаров.
Альтернативный путь в развитии антенной техники - создание распределенных полей излучателей небольшой мощности, фазированных антенных решеток (ФАР). Изменяя начальную фазу излучения на элементах решетки, можно проводить сканирование диаграммой направленности ФАР в определенном диапазоне углов.
По мере развития космической техники встали вопросы о свойствах околоземного пространства и о возможности проводить его диагностику радиофизическими методами. Этот интерес имел не только прикладной, но и чисто фундаментальный научный характер. Хотя диагностика ионосферы в 50-х годах уже активно проводилась, наземные КВ ионозонды давали информацию только о концентрации электронов ниже главного ионосферного максимума. Изучение других характеритик среды, таких как температура, ионный состав, скорости дрейфа начало проводиться с помощью ракет в конце 50-х, начале 60-х годов.
Настоящий научный бум был вызван предложением W.E.Gordon в 1958 году, использовать термальное томсоновское рассеяние на свободных электронах для изучения характеристик среды. По расчетам Гордона, спектр сигнала, рассеянного на свободных электронах плазмы, для локатора с рабочей длинной волны 2м, должен иметь вид гауссианы с шириной ~200 кГц, причем радар должен был обладать небывалой по тем временам чувствительностью. Такой радар США ввели в действие радар в Джикамарке (Перу), где в конце 1958 года K.L.Bowles провел первые измерения сигнала, рассеянного на термальных неоднородностях ионосферной плазмы.
Измеренный спектр рассеянного сигнала оказался более чем на порядок уже ожидаемого. Боулс предположил, что электроны плазмы не являются свободными, а их движение контролируется более тяжелыми ионами. После этого в 1961-1967 годах последовал ряд научных работ, в которых была разработана теория термального рассеяния, которое назвали некогерентным, и метод получил название метода некогерентного рассеяния (НР).
В отличие от КВ зондирования, где используется сигнал, отраженный от ионосферы, основная мощность при измерении сигналов НР проходит сквозь ионосферу, и назад возвращается очень слабый сигнал, для регистрации которого оспользуется специальная обработка и длительное статистическое усреднение. При этом метод НР не ограничен высотами ниже максимума ионизации, и кроме электронной концентрации позволяет измерять температуры электронов и ионов, скорость дрейфа плазмы вдоль направления зондирования и ионный состав. Современные знания о структуре ионосферы и ее динамике во многом основаны на данных радаров НР, полученных начиная с 60-х годов.
В конце 50-х годов в США был разработан проект широтной цепи радаров
НР, которая позволила бы исследовать широтные особенности ионосферы. Проект
финансировался NSF и NASA. Для научной и технической поддержки проекта были
приглашены ведущие специалисты университетов Корнельский (Cornell), Иллинойса
(Illinois), Массачуссетса (Massachusets), Калифорнии.
Два радиолокатора в Джикамарке (Перу) и Аресибо
(Пуэрто Рико) планировалось использовать также для передачи сообщений внеземным
цивилизациям.
Также в цепь входил построенный в 1963 году радар в Миллстон-Хилле,
радар в Стенфорде (Калифорния) и позднее радар Сондерстрем
Гренландии, который первоначально работал на Аляске. Вместе с этими радарами
был построен радар в Калифорнии, который работал до середины 70-х.
Интерактивная Карта Действующих Радаров
НР
Выберите радар, чтобы получить его описание
Работавшие ранее радары Стенфорд, Малверн, Сен-Сантин - Нансе.
В Европе в эти же годы были построены радары в Малверне
(Англия) и двухпозиционная установка во Франции Сен-Сантин -
Нансе. К 1975 году СССР был построен радар в Харькове (Украина).
Позднее, когда в 60-70 годах началось активное изучение полярной ионосферы,
Европейским сообществом в конце 70-х была построена трехпозиционная установка
в Скандинавии EISCAT.
В 1985 году введен в действие MU радар в Киото (Япония).
С 1993 года началось перепрофилирование военной РЛС в радар НР
в Иркутске.
В 1997 году Европейским сообществом построен радар Свалбард на
Шпицбергене.
Первый из специально построенных радаров НР, и до настоящего времени остается самым мощным из них. Представляет собой антенную решетку с размерами 290 * 290 м. Рабочая частота 50МГц.
Решетка состоит из скрещеных полуволновых вибраторов, позволяющих формировать радиоимпульсы как с линейной, так и с круговой поляризацией и проводить их независимый прием.
Питание к элементам решетки от четырех передатчиков мощностью по 1.25 МВт подводится через специальные фидерные линии от центра веерно к углам решетки, так, что вся антенна поделена на четыре независимых поля.
Преимущества установки в высокой мощности, - она может проводить измерения на высотах до 2000 км. Недостаток, - малый угол сканирования, и близость экваториальной электроструи, отражения от которой часто мешают проводить измерения.
Сферическое зеркало антенны диаметром 300м было создано в кратере потухшего вулкана Аресибо, где сначала были проведены земляные работы по выравниванию местности. Облучатель подвешивается на трех мачтах высотой по 70м
После установки мачт на них на тросах была подвешена и смонтирована запитывающая платформа, к которой была далее подвешена рама облучателя.
Размеры этой рамы можно оценить по ее фотографии до подъема.
После подъема облучателя в основании кратера была натянута сетка - отражатель, и окончательный вид радара приобрел вид
Рабочая частота радара составляет 50МГц, Рама облучателя может
вращаться относительно платформы, а облучающий рупор может перемещаться вдоль
рамы, что позволяет проводить сканирование диаграммой направленности в пределах
6 градусов от зенита.
Серьезная техническая проблема, - температурное расширение тросов, что приводит
к изменению высоты облучателя на величину 6мм на градус Цельсия. Для этого разработаны
специальные компенсаторы.
Другой проблемой радара являются местные отражения от соседних гор, поэтому
в 1986-87 годах вокруг зеркала была установлена дополнительная стенка высотой
6м и установлен специальный кокон на излучатель.
Первые наблюдения в обсерватории были проведены в 1959 году с использованием метеорного радара, принадлежавшего Lincoln Lab. и работавшего на частоте 440МГц. В 1961 году радар был переведен на частоту 1295 МГц и резко потерял в чувствительности для метода НР. Поэтому на базе оборудования 440МГц было решено построить новый радар, который был запущен в 1962 году.
Это 68 метровое параболическое зеркало с фиксированной вертикально направленной ДН. Зеркало также натянуто из металической сетки. На этой антенне была проведена большая часто измерений 1963-1975 годов. Поскольку вследствие местных отражений на новой антенне были невозможны измерения ниже 250 км, для исследования нижней ионосферы продолжал использоваться радар лаборатории Линкольна на 1295МГц.
В 1974 гогду NSF поддержал проект строительства новой полноповоротной 46 метровой антенны, работающей от тех же передатчиков 440МГц , которая была введена в эксплуатацию в 1976. По сей день данные радары используются для исследования среднеширотной и субавроральной ионосферы.
Обсерватория Сёндрестрём (Гренландия) стала самой северной из
американской широтной цепи радаров НР. Первоначально радар был установлен в
Чатанике на Аляске, и в 80-х годах перевезен в Гренландию. Это единственный
радар проводящий измерения внутри полярного овала.
Антенна управляемый полноповоротный 32м. параболоид
Мощность 5МВт
Рабочая частота 1330МГц
Координаты 67.00 СШ, 51.00 ЗД
Это единственная в практике НР установка в которой использовалось непрерывное излучение, а сканирование по высоте проводилось приемной антенной. Установка была построена в 1965 году. Схема установки и взаимное положение антенн приведены ниже
Рабочая частота системы 935 МГц, Мощность непрерывного излучения 150 кВт. Возбуждитель передающей антенны - конический рупор, переотражатель - эллиптический цилиндр
Главный отражатель - параболический тор с размерами 20 * 100м.
Приемная антенна представляет собой поворотный плоский отражатель с размерами
200 * 40м, излучение от которого попадает на неподвижный вторичный сферический
рефректор с размерами 300*35м и далее на приемный рупор.
На данной установке действительно удалось получить неискаженные эффектами стробирования
спектры мощности. Однако, вследствие медленной перестройки приемной антенны
по высоте и необходимости длительного накопления сигнала, для получения необходимой
точности измерений, французская система оказалась неэффективной, и к середине
70-х работы на ней были прекращены. Все свои усилия европейское научное сообщество
направило на строительство установки EISCAT.
Был построен на элементной базе РЛС "Днепр", работающих на частотах ~150 МГц, с которых использованы передатчики и волноводно фидерные тракты. Была построена самая крупная 100м параболическая антенна. Импульсная мощность до 3МВт. Первые измерения проведены в 1976 году.
Позже в обсерватории Харьковского политехнического института, где расположен радар был установлен полноповоротный 25м параболоид.
При исследовании полярной ионосферы важным является не только измерение параметров
ионосферной плазмы и их динамики. Большую роль в физике полярной и субавроральной
ионосферы играют движения потоков заряженных частиц, как в виде дрейфа плазмы
как целого, так и в виде тока заряженных частиц друг относительно друга.
Поэтому при проектировании установки EISCAT была реализована трехпозиционная
схема, позволяющая измерять полный вектор скорости движения частиц. Приемо-передающая
антенна была установлена в Тромсе (Норвегия), и две приемных антенны расположены
в Кируне (Швеция) и Сондакуле (Финляндия).
Обсерватория Тромсё(Норвегия) UHF антенна - управляемый 32м. параболоид
Мощность 2МВт
Рабочая частота 931МГц
VHF Антенна - управляемый параболический 4-х секционный цилиндр 30x40м.
Мощность 5МВт
Рабочая частота 224МГц
Координаты 69.58°СШ 19.2° ВД
Приемная антенна Сондакуля
Построен в 1985 году представляет собой синфазную антенную решетку сотовой структуры с диаметром 103м, рабочая частота 46.5 МГц, мощность 1МВт
В связи с малой мощностью передатчиков и сильными естественными шумами в данном диапазоне частот, измерения сигналов НР выше максимума ионизации на MU радаре затруднительны, поэтому в настоящее время он в большей степени используется как допплеровский МСТ радар, работающий до высот ~100км. Причем разнесенный допплеровский прием ведется на разные участки антенны, что позволяет измерять полный вектор скорости турбулентных потоков.
Иркутский радар НР был создан на базе радиолокационной станции
"Днепр", расположенной в 120 км с северозападу от Иркутска. Хотя первые
попытки измерений сигналов НР на таких станциях проводились в ИСЗФ еще в 80-х
годах, только в 1993 году одна из таких систем была передана институту в рамках
конверсионной программы.
Антенная система РЛС "Днепр" значительно отличается от традиционных
радаров и представляет собой сдвоенный секториальный рупор (1), системой облучения
которого являются две волноводно щелевые антенны (ВЩА) (5), которые могут запитываться
с двух сторон возбуждающими рупорами (3). Рупор разделен перегородкой (2), положение
которой выбрано так, чтобы изменением разности фаз ВЩА изменять диаграмму направленности
в поперечном к ВЩА направлении:
Длина антенны 240м, высота рупора 20м, ширина раскрыва 12м.
Диаграмма направленности в поперечном направлении формируется рупором и начальными фазами ВЩА. Она имеет вид одного луча шириной 10° при синфазном возбуждении и двух лучей по 20°, разнесенных на 20° при противофазном возбуждении ВЩА. Диаграмма направленности в продольном направлении формируется путем синфазного сложения поля от ~300 щелей ВЩА и составляет 0.5°. При изменении частоты зондирования в диапазоне 154-162 МГц происходит сканирование лучем ДН на 30° от нормали в сторону противоположную запитке ВЩА. Поляризация поля антенны строго линейная, что обеспечивается поляризационным фильтром (6), подавляющим на 30Дб ортогональную к оси антенны поляризацию. Схема сектора сканирования имеет вид
Только к 1997 году на иркутском радаре удалось провести модернизацию приемных устройств и системы обработки данных, и разработать методику регистрации сигналов учитывающую его технические особенности.
Самай современный из действующих радаров НР, построен специально для дополнения системы EISCAT, и исследования зоны высыпаний частиц и полярного овала.
Антенна управляемый полноповортный 32м. параболоид
Рабочая частота 500МГц
Мощность 500КВт
Координаты 78.09° СШ 16.02° ВД
