Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Третья координата — дальность-определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Так и хочется сказать, что запаздывание сигнала очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, равной 300000 км/с, или 3·108 м/с. Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание составит всего 20 мкс (20·10– 6 с). Такой результат получился из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Но вот при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время уж никак не назовешь малым!
И еще один аспект этой интереснейшей техники. Если посланный сигнал будет «путешествовать» в просторах космоса целых 11 мин, насколько же он ослабнет! И как выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов космического происхождения? Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физических соображениях.
Поток энергии через единичную площадку обратно пропорционален квадрату расстояния.
Даже если мы сконцентрируем излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз (этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, сокращенно КНД), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. В радиолокации дело обстоит значительно хуже. Облучаемая на расстоянии R цель сама рассеивает энергию по всем направлениям. И если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в 2 раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Вот какой дорогой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС!
Приведу несколько конкретных примеров. Возьмем небольшую аэродромную РЛС с антенной площадью 10 м2. И пусть она наблюдает небольшой самолет с эффективной поверхностью рассеяния [2] 5 м2 на длине волны 10 см. Работоспособность такой РЛС сейчас ни у кого не вызывает сомнений. Однако расчет показывает, что отраженный сигнал, приходящий в приемник при удалении самолета на 80 км, в этом случае на 16 порядков слабее излучаемого! Как говорят инженеры, потери сигнала при локации составляют 10– 16. или 160 дБ. Но их это не пугает. При излучаемой мощности 10 кВт чувствительность приемника должна составить 10– 12 Вт. Такие приемники научились делать еще в годы второй мировой войны!
2
Эффективной поверхностью рассеяния называют площадь всенаправленного переизлучателя, создающего такой же отраженный сигнал, как и реальный объект.
Другой пример. Заставим нашу РЛС осуществлять локацию Марса. Дело это, разумеется, совершенно безнадежное, если не принять специальных мер. Увеличим площадь антенны до 1000 м2. И даже в этом случае потери сигнала на трассе составят 250 дБ, или 1025. Понадобятся сверхмощный передатчик и особые методы приема сигналов, уровень которых лежит гораздо ниже уровня собственных шумов приемника. К одному из таких методов относится когерентное накопление сигнала. Сеансы локации проводятся много раз, и отраженные сигналы суммируются. Амплитуда суммарного сигнала после суммирования n посылок возрастает в n раз, тогда как амплитуда статистически независимых шумов — только в n раз. При достаточно длительном времени накопления удается выделить чрезвычайно слабые отраженные сигналы. В первых опытах по локации Марса время накопления составляло 8.5 ч.
Существует великое множество радиолокаторов. Это и только что упомянутый «планетный», представляющий собой уникальный комплекс сооружений со сверхмощными передатчиками и ЭВМ для обработки сигналов, увенчанный полноповоротной антенной-чашей диаметром 75 м (только представьте себе грандиозность этого сооружения!). Это и миниатюрный, почти карманный радар работника автомобильной инспекции, позволяющий в считанные секунды определить скорость движущегося по шоссе автомобиля. Радарами оснащены теперь все морские и речные суда, все самолеты. Жизнь и деятельность в самых отдаленных уголках страны даже трудно представить себе без радаров.
Когда во время экспедиции гидрографическое судно шестой день не выходило из тумана в районе Курильских островов и Камчатки, я никак не мог понять, как же эти места осваивали и исследовали первопроходцы? Каждую ночь, каждый туманный день они должны были быть настороже — не послышится ли по носу судна плеск воды, накатывающейся на рифы. А в случае крушения помощи ждать неоткуда места не заселены, а карт и лоций нет — именно первопроходцы их и составляли.
Теперь все не так. По ворсистой ковровой дорожке, идеально чистой на гидрографическом судне, ты идешь к навигаторам, и они покажут карту, где со скрупулезной точностью нанесены мели,
В 30-х годах нашего столетия сгущались тучи на политическом горизонте Европы, да и всего мира. Набирал силу и наглел фашизм в Германии, Италии, в Японии поговаривали о мировом господстве. Страны оси Рим-Берлин-Токио лихорадочно вооружались. Росли скорости, вооруженность и дальность полета самолетов. Появилась настоятельная необходимость в обнаружении и определении координат воздушных целей. Но как это сделать?
Имевшаяся в это время звуколокационная техника уже не могла работать удовлетворительно. Тем не менее звукоулавливатели разрабатывались, и на октябрьских парадах возили по Красной площади похожие на спрутов установки с черными рупорами и переплетением трубок. «Слухач» звукоулавливателя наводил рупоры в направлении места, откуда исходил звук от летящего самолета. Но скоростной самолет улетал в это время далеко… К тому же звук «относился» ветром. А обычные методы визуального наблюдения оказывались бесполезными, как только самолет скрывался за облаками. Прожекторы да звукоулавливатели — вот и вся техника, которая была в распоряжении военных к середине 30-х годов. И военные выступили с инициативой создать новые средства использующие другие виды излучений, главным образом электромагнитные волны. Инициаторами исследований были представитель Главного артиллерийского управления (ГАУ) РККА М. М. Лобанов, впоследствии генерал-лейтенант, и представитель управления ПВО РККА П. К. Ощепков, впоследствии профессор, директор Института интроскопии. В Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) организовалась группа под руководством старшего инженера Ю. К. Коровина. Договор между ЦРЛ и ГАУ был заключен в октябре 1933 года. Кстати, этот договор был первым в СССР юридическим документом, положившим начало планомерным научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам в области радиолокации, а также их финансированию. В Соединенных Штагах по настоянию вице-адмирала Боуэна лишь в 1935 году конгресс ассигновал Морской исследовательской лаборатории 100 000 долларов специально на работы в области радиолокации. А первый контракт с промышленностью на постройку шести опытных станций был заключен в 1939 году.
Официальная западная история родиной радара считает Великобританию. Сейчас трудно винить историков за эту неточность, ведь все работы по радиолокации и у нас, и за рубежом по понятным причинам проводились в обстановке строжайшей секретности. Перед второй мировой войной Великобритания располагала самым большим в Европе военно-морским флотом, но Германия имела подавляющее превосходство в воздухе. Поэтому защита от воздушного нападения (немцы неоднократно бомбили Лондон) была для англичан жизненно важной задачей. С 1936 года вдоль побережья Великобритании стали строить линию постов раннего радиолокационного обнаружения, к началу войны она была закончена.
Идея радиолокации в те годы буквально носилась в воздухе. Впервые ее высказал П. К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения. Любопытно, что спустя два года в Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ) как-то пришел командир зенитной батареи с предложением использовать для обнаружения самолетов радиоволны. Он не знал, что подобные работы уже ведутся.
16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) под председательством академика А.Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА, в числе которых был и П. К. Ощепков, поставили задачу обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях. В протоколе совещания, в частности, говорилось: «При этом должны быть разработаны относительно достаточно мощные генераторы дециметровых и сантиметровых волн, направляющие электромагнитные излучения системы, а также приемные устройства, обеспечивающие по отраженному электромагнитному лучу определение местонахождения самолетов (их координаты), их количества, курс движения и скорости». Согласитесь, что задачи радиолокации были сформулированы предельно точно, но техники еще не было. За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. В ЛЭФИ группа энтузиастов (Б. К. Шембель, В. В. Цимбалин и др.) использовала метод непрерывного излучения радиоволн. Приемник и передатчик располагались раздельно. К приемнику поступали два сигнала: одни непосредственно от передатчика, а другой — отраженный от самолета. Поскольку дальность до самолета все время изменялась, набегала и фаза отраженной волны. Она то складывалась, то вычиталась с волной, приходящей непосредственно от передатчика. Возникала интерференция волн, вызывающая характерные биения, слышимые в телефонных наушниках, присоединенных к выходу приемника. Первые опыты проводились в Ленинграде, а уже летом 1934 года опытную установку показывали в Москве членам правительства. Передатчик был установлен на верхнем этаже дома № 14 по Красноказарменной улице, а приемник располагался в районе пос. Новогиреево по шоссе Энтузиастов, сразу же за Измайловским парком. На лесную поляну приехали маршал М.Н. Тухачевский, Н. Н. Нагорный, впоследствии командующий ПВО страны, академик М. В. Шулейкин и другие. Аппаратуру показывал энтузиаст радиолокации представитель УПВО П. К. Ощепков. Самолет, специально летавший в районе расположения аппаратуры, обнаруживался уверенно. Эта аппаратура работала на метровых волнах с использованием дипольных антенн. Диаграммы направленности их были широкими, и координаты самолета определялись лишь весьма приблизительно.