Радиолокация без формул, но с картинками
Шрифт:
Сигналы, которые спасли радиолокацию от застоя, как гуси спасли Рим от гибели (оба утверждения оспариваются), имеют много названий. Их называют сложными, широкополосными, шумоподобными, псевдослучайными, составными и, кажется, еще как-то. Но не будем углубляться в вопросы терминологии, а попробуем разобраться в существе дела.
Умные люди, которых немало среди теоретиков, заметили лазейку в противоречивых требованиях к сигналу. Обратите внимание: длинный сигнал нужен нам при передаче (требование большой энергии), а короткий — при приеме, когда определяем координаты и производим разрешение целей. Так нельзя ли создать такие сигналы, которые при передаче имели бы большую длительность, а при приеме становились бы короче. Оказывается можно, и как только сформулировали требования, так сразу же был предложен целый ряд сигналов, которые можно «сжимать» в приемнике.
Представляя ход дела таким образом, мы кое в чем грешим против истории. На самом деле было так.
Лет 30–35 назад, когда создавались первые радиолокационные станции, еще никто не выдвигал требований точного измерения дальности и хорошего разрешения. Не до этого было. Нужна была просто работоспособная станция, которая могла хотя бы обнаруживать цель как угодно. Но уже тогда наряду с другими вопросами специалисты занимались изучением входных устройств приемников радиолокационных станций, которые обычно называют фильтрами. Они, как и обычные химические фильтры, должны разделять попадающую в них смесь на отдельные составляющие. В нашем случае из смеси полезного сигнала, шумов и помех нужно было выделить один полезный сигнал. В радиотехнике, а значит и в радиолокации, это можно сделать, настраивая приемник на ту полосу частот, в которой ожидается сигнал. Кто настраивал приемник к поисках веселой танцевальной музыки или захватывающего футбольного репортажа, тот выполнял именно эту задачу. В радиолокации полоса частот ожидаемого сигнала известна, так как мы сами его излучаем. А значит фильтр в приемнике нужно настроить именно на эти частоты, и тогда все не желательные сигналы и помехи не будут нам мешать, конечно, за исключением помех, которые имеют частоты, попадающие в нашу полосу. С ними обычно частотному фильтру бороться трудно.
Специалисты очень любят оптимизировать все, что попадает им в руки. Так и в этом случае им захотелось создать оптимальный фильтр. Он должен был как можно лучше пропускать сигнал и как можно сильнее задерживать или подавлять помехи и шумы. Тут математики сделали свое дело: решили проблему оптимизации и постановили, что за исключением некоторых, не столь уж важных деталей, частотные свойства оптимального фильтра должны по существу совпадать с частотными свойствами сигнала.
Значит, для каждого сигнала надо подобрать оптимальный фильтр, который соответствовал бы только этому строго определенному сигналу. Фильтр настроен не только на ту или иную полосу частот, но и на характер поведения частоты сигнала в этой полосе. Если на какой-то частоте энергия сигнала велика, то эту частоту фильтр пропускает лучше, где энергия сигнала меньше, там фильтр хуже пропускает сигнал и сопутствующий ему шум. Фильтр согласован с сигналом. Поэтому его и назвали согласованным фильтром. Пройти через такой фильтр сигналам другого вида, даже занимающим ту же полосу частот, довольно трудно. Иначе на выходе от них могут остаться «рожки да ножки», и мы не заметим такой сигнал на фоне помех, пропускаемых фильтром. Что поделаешь: с ними фильтр не согласован.
Если обычный частотный фильтр можно сравнить с калиткой, через которую может пройти любой прохожий, идущий по этой дороге, то согласованный фильтр — лазейка в заборе, в которую может пролезть лишь тот, у кого фигура соответствующим образом «согласована» с этой лазейкой.
Итак, цель достигнута, создали схему фильтра, который оптимально выделяет сигнал на фоне помех. Назвали его согласованным фильтром и понесли проект к разработчикам. И тут-то оказалось, что разработчики не могут реализовать этот проект в «железе». Не было еще ламп, линий задержки и других устройств, без которых создать генераторы сложных сигналов и согласованные фильтры попросту невозможно. И гениальные идеи теоретиков остались лежать в папках патентных бюро, как изящные безделушки, демонстрирующие силу человеческого разума и представляющие чисто академический интерес.
Однако по мере развития техники необходимые устройства были в конце концов разработаны и у специалистов возродился интерес к согласованным фильтрам. К началу 50-х годов почти во всех ведущих научно-исследовательских лабораториях технически развитых стран уже проводились исследования по возможности внедрения согласованной фильтрации в практику.
Постепенно появлялись макеты, а затем и рабочие образцы станций, в которых использовались согласованные фильтры. Они, как говорится, пошли в жизнь. Тут выяснилось еще одно интересное свойство таких фильтров. В некоторых случаях форма сигналов на выходе согласованного фильтра изменялась по сравнению с формой входного сигнала. Амплитуда сигнала возрастала, зато сам сигнал укорачивался. Правда, это происходило лишь в тех случаях, когда используемые сигналы имели достаточно большую базу (базой сигнала называют число, равное произведению длительности на занимаемую им полосу частот). Так вот, чем больше была база сигнала, тем сильнее он укорачивался и тем выше поднимался пик амплитуды над уровнем шума. Если бы нас интересовало сохранение формы принятого сигнала, то мы сочли бы этот эффект чрезвычайно вредным и постарались бы от него избавиться. Но поскольку для нас важно лишь обнаружение сигнала, то есть установление самого факта его существования, то поднятие пика сигнала над уровнем шума мы всемерно приветствуем.
Вы уже, вероятно, заметили, что в тексте то и дело встречаются слова «шум» и «помеха»? Эти слова, конечно, известны каждому читателю. Но их точное значение в применении к радиолокации нуждается в разъяснении. Поэтому мы на некоторое время прервем плавный ход изложения и познакомимся с этими понятиями поближе.
Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?
Итак, поговорим о шумах. Понятие о шуме есть у каждого читателя, правда, у каждого свое. Один под шумом понимает визг и скрежет трамвая, проходящего ночью под его окнами, другой — равномерный гул голосов, мешающий читать лекцию, и так далее. Во всех этих примерах есть одна общая черта. Здесь в качестве шума выступает звуковой процесс, воздействующий на наши слуховые органы. Но наблюдение и обработка сигналов производится в радиолокационной станции в абсолютной тишине. Что же здесь является шумом, мешающим наблюдению сигнала?
Началось все, по-видимому, с радистов, которые вылавливали морзянку из свиста, завываний, тресков, шорохов, щелчков и других звуков, раздававшихся в наушниках и мешавших приему. Для них это был шум в привычном для нас смысле слова. В радиолокации, которая развивалась на базе радиотехники и заимствовала используемые в ней понятия, этот термин сохранился. Его стали использовать для обозначения любого случайного процесса, мешающего приему сигнала. Если обнаружение сигнала выполняет оператор, наблюдающий за экраном индикатора, то для него шумом будут случайные выбросы луча развертки, образующие бахрому. Когда она невелика по амплитуде, то ее ласково называют «травкой» (посмотрите на рисунок на стр. 84. Похоже, не правда ли?). Если случайные выбросы достаточно высоки, а отраженный сигнал слаб, то могут произойти два неприятных события. Во-первых, мы можем не заметить слабый полезный сигнал среди шумовых выбросов. Это пропуск цели со всеми вытекающими отсюда последствиями. Какими? Пусть каждый читатель представит себе в меру своей фантазии.
Во-вторых, один из сильных шумовых выбросов мы можем принять за полезный отраженный сигнал и доложить об этом по команде. В этом случае произойдет ложная тревога. Событие тоже не из приятных. Правда, опытные операторы иногда могут обнаруживать сигналы, уровень которых ниже уровня шума. Дело в том, что шумовые импульсы случайны, они то появляются, то исчезают, а сигнал, даже слабый, в некотором роде стабилен и появляется в одном и том же месте (если не учитывать перемещения цели). Вот по этому признаку его и обнаруживает опытный оператор. В этом смысле операторы с большим стажем как бы представляют собой весьма неплохие фильтрующие системы. Однако надежность такого обнаружения все-таки мала.
Откуда же берется эта травка и что заставляет луч развертки метаться вверх и вниз вместо того, чтобы спокойно двигаться по горизонтали? В наше время эфир в любой точке земного шара насыщен электромагнитными излучениями. Радиоволны, возникающие при грозовых разрядах в атмосфере или во время полярных сияний, при работе различных электрических систем от мощных энергоустановок до систем зажигания автомобилей (именно этот случай и показан на рисунке), передачи мощных вещательных станций и сигналы коротковолновых передатчиков радиолюбителей — вот далеко не полный перечень виновников возникновения шумов и помех. Складываясь, все эти сигналы создают на антенне шумовое напряжение, величина которого случайно меняется во времени. В какой-то момент интенсивность посторонних сигналов на антенне будет мала и луч развертки практически не отклонится от горизонтальной линии; в следующий момент интенсивность шума возрастет и луч резко отклонится от горизонтали. Так мы и получаем «травку» на экране индикатора.
Существует и другой вид шума — тепловой шум в элементах схемы[15]. Особенно заметную роль он играет во входных каскадах приемника, так как полезный сигнал слаб и тепловой шум может быть сравним с ним по величине. В последующих каскадах и сигнал, и тепловой шум будут одинаково усиливаться. Поэтому чем ближе источник теплового шума ко входу приемника, тем больше каскадов усиления проходит шум и тем более вредное действие он оказывает на работу станции. Специалисты применяют все возможные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Снижение температуры уменьшает уровень теплового шума, однако полностью избавиться от него невозможно, и тепловой шум всегда вносит свой вклад в травку на экране индикатора.