Михаил Размахнин

РАДИОЛОКАЦИЯ БЕЗ ФОРМУЛ, НО С КАРТИНКАМИ

В современном мире радиолокационную станцию можно встретить всюду: на улице, в порту, в подземном туннеле. Самое широкое применение радиолокация нашла в военном деле и научных исследованиях. Во всех этих областях «трудятся» тысячи радиолокационных станций. Среди них есть такие, которые умещаются в очках, но есть и такие, которые весят сотни тонн.

В этой брошюре, написанной на основе материалов отечественной и зарубежной периодической печати, популярно рассказывается, что такое радиолокация, чем она занимается, почему играет такую важную роль в современном мире. В книге нет ни одной формулы, но зато много занимательных рисунков, которые помогут понять некоторые сложные вопросы.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся разнообразным применением радиоэлектроники. Прочтя ее, вы узнаете много интересного и неожиданного о возможностях радиолокации.

Предисловие

Обычно в предисловии автор обязан объяснить, что представляет собой его детище, на основе каких материалов оно создано, кому и как его рекомендуется читать. Кроме того, необходимо выразить свою признательность и благодарность как можно большему числу людей, с которыми автору еще предстоит встречаться. Тем самым они становятся как бы соучастниками создания книги, и их критические тенденции надежно блокируются.

Раз уж наличие предисловия стало редакционно-издательским правилом, то хочешь или не хочешь, его надо писать. Но обычное предисловие в книге такого рода кажется автору не совсем уместным. Поэтому Вашему вниманию предлагается предисловие-диалог, в котором, с одной стороны, принимает участие лицо, именуемое в дальнейшем «Автор», а с другой стороны, действующий на основании устава издательства представитель, который для конспирации именуется в дальнейшем «Редакция».

Итак, «Редакция» идет в атаку.

Редакция. К какому жанру в соответствии с типизацией литературных произведений, установленной действующим законодательством, относится Ваше произведение?

Автор. Честное слово, затрудняюсь сказать. Ведь в книге две части и они очень разные. Первая имеет научно-рекламный характер, вторая — ближе к научно-популярной литературе, хотя и в ней чувствуется сильное влияние модной сейчас научно-юмористической литературы типа «Совершенный стратег» Дж. Д. Вильямса или «Ну и что?» Я. И. Хургина[1].

Редакция. То что Вы сказали, нельзя отнести ни к одному типу литературных произведений, установленному действующим законодательством.

Автор. Тогда научно-популярная.

Редакция. На основании каких материалов подготовлена рукопись?

Автор. В работе над рукописью я использовал материалы отечественной и зарубежной периодической печати и некоторые книги (большая часть из них указана в сносках).

Редакция. На кого рассчитано Ваше произведение?

Автор. В мировой научно-популярной литературе существует установившийся термин «интеллигентный дилетант». Это человек, получивший достаточно хорошее образование и знающий о предмете изложения только то, что сообщают средства массовой информации: радио, телевидение, печать и т. д. Вот для таких интеллигентных дилетантов и написана эта книжка. Ну и еще, конечно, для выпускников средних школ и для всех, кто интересуется радиолокацией. Может быть, ее прочтут, а вернее просмотрят, и специалисты в области радиолокации. Их, конечно, заинтересует не столько текст, сколько рисунки, выполненные художником Э. Трескиным. Рисунки заслуживают этого.

Редакция. В какой последовательности следует читать Ваше произведение? Вопрос на первый взгляд странный, но ведь на самом деле существуют книги, в которых авторы рекомендуют, например, такой порядок чтения: «Следует читать главы 1, 2, 4, 7 и 3, затем главу 6, потом следует еще раз перечитать главу 1».

Автор. Текст можно читать в нормальной последовательности, а рисунки можно смотреть как угодно, хоть с начала, хоть с конца.

Редакция. Можно ли Вашу книгу использовать в качестве учебного пособия?

Автор. Ну, конечно же, нет! Правда, автор старался придать некоторым главам учебникообразный характер. Так, например, в отдельных главах читателю предлагаются задачи для самостоятельной проработки но если он уклонится от этого, ничего страшного не произойдет. Последующие главы, как надеется автор, будут понятны и без выполнения такого задания. Встречающиеся в книге сложные ситуации перенумерованы и разобраны в строгом соответствии с их нумерацией. Каждый раз отмечаются и положительные, и отрицательные стороны рассматриваемых методов и явлений. Тут автор старался быть объективным. И все-таки эта книжка ни в коем случае не может служить даже учебным пособием. Интеллигентного дилетанта она так и оставит дилетантом в области радиолокации, разве что пробудит интерес к ней. Это и есть программа-максимум автора.

Редакция. Благодарить кого-нибудь будете?

Автор. А как же! В первую очередь, конечно, рецензентов за их кропотливую и ничем практически не вознагражденную работу по оценке рукописи и исправлению ее недостатков.

Хочу выразить признательность всему коллективу издательства «Советское радио», заслуженно пользующемуся авторитетом среди радиоспециалистов, за то, что они рискнули предоставить мне возможность издать эту не совсем строгую в научном смысле книжку.

И последнее. Поскольку книга все-таки научно-популярная, автор в процессе поиска наиболее простой формы изложения не очень простых вещей мог несколько исказить истинную картину. Заранее приношу свои извинения дотошным читателям, которые обнаружат какие-нибудь неточности. А тем из них, кто пришлет свои замечания в адрес издательства, в дополнение к извинениям выражаю еще и признательность.

Пояснение

Читателя полагается заинтриговать или хотя бы заинтересовать. Иначе при постоянной нехватке времени он вряд ли прочтет больше одной страницы книги, о которой раньше ничего не слышал. Поневоле позавидуешь авторам учебников, ведь в наше время даже рядовой учебник по тиражу и числу «завоеванных» читателей вполне может конкурировать с произведениями классиков и признанных корифеев детектива. И каких читателей! Молодежи и людей среднего возраста. Уж они-то умеют экономить время и весьма требовательны к качеству произведения.

Ну что же, начнем с загадки. Перед Вами, уважаемый читатель, страница из книги. Как Вы думаете, какой?

Загадка вроде бы простая. Конечно же, это страница из какой-нибудь математической работы или уж, по крайней мере, из трактата по теоретической физике. И все-таки это не так, вернее не совсем так. Конечно, без математики здесь не обошлось, как впрочем и в любой современной специальной книге. А название ее «Теоретические основы статистической радиолокации». Ну вот мы и встретились со словом, вынесенным на обложку нашей книги. Это радиолокация — область радиоэлектроники, в которой для описания основ теории необходимы такие сложные выкладки, что они не всегда по силам даже людям с высшим образованием. А ведь в отличие от чистой математики или теоретической физики с радиолокацией мы сталкиваемся буквально на каждом шагу. Да и число специалистов, непосредственно занятых развитием теоретической радиолокации, созданием радиолокационной техники и обслуживанием радиолокационных станций значительно больше числа «чистых» математиков и физиков.

Теперь самый подходящий момент объяснить, для чего написана эта книга и что из нее может почерпнуть читатель взамен затраченного времени. Конечно, это не книга для специалистов в области радиолокации и не учебник по радиолокации. Это скорее попытка популярно объяснить, что такое радиолокация, чем она занимается, почему она играет такую важную роль в современном мире и почему она стала делом жизни огромной армии энтузиастов.

Раз уж мы не рассчитываем на читателей-специалистов, то попытаемся обойтись без формул (приведенная в качестве загадки страшная страница не в счет). Будем объяснять, как говорится, на пальцах. А на помощь этому испытанному древнему методу привлечем картинки, ведь говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз… прочесть (может быть, сто раз это уж слишком, хотя в качестве полемического приема и вполне приемлемо). Однако количество информации, содержащейся в картинке, на самом деле значительно превышает количество информации, которое можно передать в тексте, занимающем ту же площадь. Чтобы убедиться в этом, попробуйте подробно описать то, что Вы видите на любой из приведенных ниже картинок, и потом прикиньте, сколько потребуется места, чтобы разместить Ваш текст, набранный даже мелким шрифтом. Итак…

Часть первая

ДАВАЙТЕ ПОЗНАКОМИМСЯ

Что такое радиолокация?

Этот вопрос почти наверняка не вызовет затруднений у читателя. Хотя и не все непосредственно занимаются радиолокацией, но журналы, телевидение, популярные и документальные кинофильмы достаточно хорошо познакомили нас с вращающимися антеннами и серьезными, сосредоточенными лицами операторов, которые вглядываются в слабо светящиеся экраны, мерцающие таинственными световыми пятнами — отметками целей. На этом уровне с радиолокацией знакомы все. Попробуем теперь несколько расширить и углубить наши познания в этой области.

Начнем с определения. Для весомости возьмем самый авторитетный источник — Большую Советскую энциклопедию: «Радиолокация — обнаружение и определение местоположения различных объектов в воздухе, на воде и на суше посредством радиоволн».

Ну как, все понятно? Не совсем? Значит, надо объяснить.

Итак, излучаем радиоволну в пространство (это делает передатчик) и ждем, когда появится отраженный сигнал. О его приходе нас известит приемник радиолокационной станции, который снабжен огромной антенной для улавливания слабых отраженных сигналов. Если вокруг нас нет никаких предметов, которые отражали бы радиоволны, то мы ничего не дождемся. Но вероятнее всего, что радиоволна все-таки встретит на своем пути какое-то препятствие. В этом случае происходит либо отражение радиоволны, либо ее рассеяние. При отражении та часть радиоволны, которая попадает на отражающий объект, сохраняет свою структуру, но изменяет направление движения. Если отраженная радиоволна попадет на антенну, то в приемнике радиолокационной станции появится довольно сильный сигнал. И чем больше площадь отражающего объекта, тем сильнее принятый сигнал и тем отчетливее отметка от цели на экране индикатора. Но ведь отражающая поверхность может быть расположена так, что радиоволна уйдет в другом направлении. Тогда никакого отраженного сигнала не поступит на антенну нашего приемника. Специалисты в таких случаях говорят, что имеет место зеркальное отражение радиоволн.

Это явление легко смоделировать в домашних условиях. Для этого нужно лишь маленькое зеркало и солнышко в окошке. Оно и будет выполнять роль передатчика радиолокационной станции. Зеркально отражающий объект — зеркальце, а в качестве приемника отраженного сигнала можно использовать, например, обычную кошку. Пока солнечный зайчик будет бегать по стенам, кошка будет спокойно сидеть и недоуменно смотреть на Вас (отраженный сигнал не попадает в приемник). Но как только световое пятнышко попадет на нее, кошка зажмурится, и тем сильнее, чем больше наше зеркало. Сигнал принят! Правда, дальше проводить моделирование обычно не удается. Кошка убегает и потом еще с неделю к Вам не подходит. Но зато истина установлена и Наука торжествует. А вообще этот эксперимент лучше проводить мысленно. Он и так довольно убедителен.

Теперь немного о рассеянии. Рассеивающий объект можно представить себе состоящим из огромного числа очень маленьких зеркал, направленных в разные стороны. Отраженные сигналы в этом случае расходятся практически по всем направлениям, но каждый из них очень слабенький. Какой-нибудь сигнал, может быть даже несколько, обязательно попадет на антенну радиолокатора, и мы зарегистрируем наличие цели. Правда, для этого радиолокационный приемник должен быть очень чувствительным.

Пока мы говорили только о геометрической форме отражающих объектов. Но на величину отраженного сигнала влияют и их физические свойства. Лучше всего отражают радиоволны металлические предметы и вообще все материалы, которые являются хорошими проводниками. Лишь небольшая часть энергии падающей волны поглощается такими материалами, и величина отраженного сигнала почти не отличается от величины сигнала, падающего на объект. Другие материалы сильнее поглощают радиоволны и отраженный от них сигнал слабее. Но ту или иную часть энергии падающего сигнала рассеивает или отражает любое препятствие, встречающееся на пути радиоволн. Даже такие «эфирные создания», как облака, и те дадут отметку на экранах чувствительных радиолокационных станций.

Итак, мы уже знаем, что для проведения радиолокационных наблюдений нам нужен передатчик, чувствительный приемник с антенной, сигнал и какой-нибудь отражающий объект. Но мы еще не знаем, как организовать их совместную работу в тех или иных случаях. Существует довольно много схем построения радиолокационных станций, и каждой схеме соответствует тот или иной принцип работы станции. Мы рассмотрим два основных типа радиолокаторов.

Импульсный радиолокатор излучает радиоволны в виде коротких радиоимпульсов, длина каждого из них несколько тысячных или миллионных долей секунды (одним из таких радиоимпульсов может служить отрезок синусоидального колебания). В момент излучения передатчиком радиоимпульса приемник радиолокатора отключают, чтобы мощный передаваемый сигнал не повредил его. Как только передатчик отключают, так сразу же включают приемник, который ждет появления слабого отраженного сигнала. Через некоторое время, когда придет отраженный сигнал или исчезнет всякая надежда на его появление, снова включают передатчик и отключают приемник. Такой цикл повторяют непрерывно, пока станция ведет радиолокационное наблюдение.

Работа такого радиолокатора напоминает поведение человека, который любит послушать обычное эхо. Каждый из нас знает немало мест, где эхо слышно особенно хорошо. Найдите такое место, крикните какое-нибудь заветное слово и прислушайтесь. Если Вам повезло и Вы нашли особенно удачное место, то эхо можно услышать два или даже три раза. Когда эхо замолкнет, можете крикнуть еще раз, и снова услышите ответ. Но если кричать непрерывно, то Вы ничего не услышите, так как сами себя оглушаете криком. Так и радиолокационная станция прекращает излучение, чтобы можно было принимать слабые отраженные радиосигналы (кстати, специалисты называют их эхо-сигналами).

Но есть все-таки станции, которые непрерывно излучают радиоволны — это станции с непрерывным излучением. Как же они принимают отраженные сигналы? Радиоволны — это электромагнитные колебания той или иной частоты. Пусть мы излучаем сигнал на частоте № 1. Тогда при отражении от неподвижного препятствия принимаемое радиоэхо будет иметь ту же частоту, а при отражении от движущегося объекта частота сигнала изменится. Если объект приближается к нам, частота будет выше, если удаляется, — ниже. Проявление этого эффекта[2] на звуковых частотах можно наблюдать, когда проходит поезд, непрерывно подающий гудки. Пока он приближается, мы слышим довольно высокий звук, когда удаляется, звук становится ниже. Этот пример приводится в учебнике физики для средней школы, так что по-видимому, известен всем.

Приемник станции с непрерывным излучением настроен таким образом, чтобы сигналы на частоте передатчика не принимались совсем. Сигналы на более высоких или более низких частотах таким приемником принимаются и регистрируются. Поэтому станция «не видит» неподвижных объектов, ведь отраженные от них эхо-сигналы имеют ту же частоту, что и излучаемые радиоволны. Зато все движущиеся цели будут замечены и отметки от них появятся на экране индикатора. К сожалению, такие станции не позволяют определить дальность до обнаруженной цели (в дальнейшем мы будем называть их допплеровскими радиолокаторами).

Созданы станции с непрерывным излучением, в которых применяются более сложные методы передачи сигналов, позволяющие измерить и дальность до объекта. Такие станции меняют частоту излучения во время работы, поэтому их называют станциями с переменной частотой излучения. Пусть, например, в первую секунду излучают сигнал на частоте № 1, во вторую — на частоте № 2 и так далее, скажем, до десятой секунды, когда излучается сигнал на частоте № 10. На одиннадцатой секунде снова излучаем сигнал на частоте № 1, на двенадцатой — на частоте № 2 и так далее. Приемник станции может принять эхо-сигнал на всех частотах, кроме той, которая в этот момент излучается. Представим себе, что в момент передачи частоты № 6 (шестая секунда) в приемнике появляется сигнал на частоте № 2, который был послан на второй секунде. Нетрудно подсчитать, что сигнал пришел через четыре секунды. Отсюда, зная скорость распространения радиоволн (она равна скорости света), определяем путь, пройденный радиоволнами, а поделив его пополам, найдем и дальность до объекта. Станция может наблюдать и неподвижные и движущиеся объекты. Правда, в некоторых случаях приходится делать поправку на эффект Допплера для движущихся целей (но это уже довольно тонкие вещи и мы пока не будем в них углубляться).

В настоящее время создано огромное число различных радиолокационных станций, которые отличаются и выполняемыми задачами, и схемами построения, но все возможные разновидности так или иначе укладываются в те два основных типа, которые мы сейчас рассмотрели.

Два слова о содержании следующих глав. В первой части книги мы продолжим рассказ о том, где и как применяются те или иные радиолокационные станции, во второй подробно рассмотрим, как работает современная радиолокационная станция. Это то, что будет дальше, а пока расскажем…

Как радиолокация попала в армию

Радиолокация родилась в семье ученых, детские годы ее также прошли среди мирных тружеников науки. Действительно, опыты А. С. Попова, в которых впервые был экспериментально установлен факт отражения радиоволн от крупного корабля, были сугубо гражданскими исследованиями. Отношение военных к этим опытам, было, по-видимому, настолько нейтральным, что никаких сведений на этот счет до нас не дошло.

Первый прообраз радиолокатора — ионосферная станция, созданная в 1931 году под руководством М. А. Бонч-Бруевича, — тоже мирный научный прибор, с помощью которого ученые на благо науки и человечества исследовали верхние области атмосферы — ионосферу. Но пока ученые спокойно занимались своими исследованиями, во всех крупных армиях мира началась техническая революция. Всем стало ясно, что открытия, совершенные в тиши кабинетов и лабораторий, помогают выигрывать сражения, а иногда и определяют весь ход войны. Тогда-то вместе с другими научно-техническими открытиями на военную службу была призвана и радиолокация. Оценив огромные преимущества, которые сулило одностороннее применение радиолокации, военные почти полностью захватили ее в свои руки.

Видеть противника, оставаясь невидимым для него, — какой полководец всех времен не мечтал об этом?! А такая возможность, во всяком случае, на первых порах, пока противник не обзавелся своими радиолокационными станциями, была вполне реальной. Вот поэтому все материалы по радиолокации стали тщательно засекречивать. В Англии радиолокацию возводят в ранг «Величайшего Секретного Оружия». В США все документы и материалы по радиолокации снабжают грифом высшей секретности: «After reading — fire!»[3] Хорошо еще что не использовался гриф: «Before reading — fire!»[4]. Он хотя и обеспечивает абсолютную секретность, но совсем не стимулирует научно-технического прогресса. И все же, несмотря на такие драконовские меры, радиолокация становилась на ноги более или менее равномерно во всех технически развитых странах. Одни и те же открытия, технические решения и разработки ученые и инженеры разных стран делали практически одновременно. В конце 30-х годов радиолокационные станции были созданы в нашей стране, США, Англии, Германии, Франции. Так что об одностороннем применении РЛС не могло быть и речи. Эфир стал таким же полем боя, как земля, воздух и море. Перевес в этой войне определялся не столько численностью солдат, служащих в радиолокационных подразделениях, сколько квалификацией и искусством инженеров, работающих в глубоком тылу.

Итак, радиолокация служит в армии. Надо сразу же сказать, что это пошло ей только на пользу. Мощная поддержка, которую оказывает армия научным исследованиям, и большое число энтузиастов среди военных специалистов привели к расширению фронта работ в области радиолокации и ускорению темпов ее развития. В нашей стране значительная часть пионеров радиолокации служила или продолжает служить в рядах Советской Армии[5].

Но для чего нужна радиолокация военным? Чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего подробно рассмотреть, как и где применяется радиолокация в современной армии. Написал автор эту фразу и задумался. Выполнить это намерение совсем не просто. Военные специалисты отнюдь не стремятся рассказывать в печати о характеристиках радиолокационных станций, режимах их работы и о том, для чего эти станции предназначены. Очень редко на страницах газет и журналов появляются статьи о военной радиолокации. Но даже и в этих случаях авторы публикаций чаще всего сообщают сведения самого общего характера. К тому же статьи, опубликованные в зарубежной прессе, часто носят рекламный характер, и в них трудно отличить объективную информацию от рекламных обещаний, помещенных исключительно в расчете на привлечение общественного внимания к той или иной фирме.

Значительно проще рассказать о применении радиолокации в гражданском воздушном флоте, на транспорте, на пассажирских и торговых судах. Но ведь основные принципы работы этих станций те же самые, что и радиолокаторов, используемых в армии. Поэтому не надо удивляться, если в качестве примера станции управления воздушным движением в ВВС мы приводим описание системы гражданского аэродрома, а при рассказе о морских радиолокаторах говорим о радиолокационной системе проводки торговых судов. Это, кстати, избавляет нас от необходимости отдельно рассматривать «гражданские» радиолокационные станции, аналогичные тем, которые применяются в армии.

Поскольку в настоящее время радиолокация в армии используется, по-видимому, шире, чем в народном хозяйстве, мы будем классифицировать[6] радиолокационные станции по их принадлежности к одному из существующих родов войск: военно-воздушные силы, ракетные войска, военно-морской флот и сухопутные войска.

Первые РЛС, поступившие на вооружение армии, использовались для обнаружения самолетов и входили в подразделения противовоздушной обороны. Начиная с этого времени, военно-воздушные силы по «числу РЛС на душу военнослужащего» неизменно занимали первое место среди всех родов войск. Так было до тех пор, пока не появились ракетные войска. Они сразу же и прочно захватили лидерство и, по-видимому, надолго. Но отдавая дань историческому ходу событий, мы все-таки начнем с ВВС.

Радиолокация и летчики

Издавна летчики называют метеорологов богами погоды. Поэтому в первую очередь надо познакомиться с оружием современных богов погоды — станцией метеорологического обеспечения полетов. Она определяет местоположение облачных и особенно грозовых фронтов, их высоту, интенсивность выпадающих осадков, ведет непрерывное наблюдение за развитием и распространением ураганов и штормов в зоне действия РЛС. Составленные на основе этих данных сводки погоды немедленно поступают на все аэродромы и центры управления воздушным движением. Не случайно в годы Великой Отечественной войны наши метеорологические станции на побережье Ледовитого океана и на полярных островах часто подвергались атакам противника.

В последние годы в США разработан проект системы сбора метеорологической информации с помощью радиолокаторов, установленных на борту самолета. Американские специалисты считают, что, используя 22 самолета, которые непрерывно сообщают полученные метеорологические данные в специальный вычислительный центр, они смогут получать информацию о состоянии погоды в любой точке земного шара. Эти сведения будут использованы министерством обороны США и учреждениями, проводящими космические исследования.

Современный военный аэродром обычно имеет взлетно-посадочную полосу. Когда нужно выпустить в полет или посадить большое количество самолетов, без радиолокационной станции управления воздушным движением не обойтись. Такая станция обычно работает совместно с вычислительной машиной и дает команду на взлет или посадку того или иного самолета. При этом учитывается продолжительность полета, очередность прибытия к аэродрому, состояние взлетно-посадочной полосы и целый ряд других факторов. В зарубежной печати опубликовано сообщение о разработке РЛС управления воздушным движением в пределах одного аэродрома. Эта станция держит под наблюдением взлетно-посадочную полосу и кольцевые дороги аэродрома. Она может обеспечить взлет и посадку до 80 самолетов в час. Добиться такой пропускной способности аэродрома без радиолокации совершенно невозможно.

Аналогичные системы созданы и у нас в стране. Советская радиолокационная система «Утес», как показали испытания, — лучший регулировщик на воздушных дорогах. Луч нового локатора принимает самолет на расстоянии в сотни километров, на высоте несколько тысяч метров и сопровождает его до аэродрома. В считанные секунды выдается информация о типе лайнера, азимуте, высоте полета, количестве горючего на борту. «Утес» впервые применили для управления воздушным движением под Москвой. Практика показала высокую надежность аппаратуры: «потолок» самолета определяется с высокой точностью[7].

Но возможности систем такого рода не ограничиваются обслуживанием одного аэродрома. Создан, например, проект системы управления воздушным движением, которая контролирует до 200 взлетно-посадочных полос одновременно. Если центр такой системы расположить в Брюсселе, то она будет контролировать практически все важнейшие аэродромы Западной Европы. В этой системе сигналы от всех вновь обнаруженных самолетов подаются на вычислительную машину, которая автоматически устанавливает национальную принадлежность самолета и контролирует его полет, сравнивая реальную трассу с заранее заложенным в ее памяти планом полетов. При отклонении самолета от трассы или при обнаружении вражеского самолета система подает сигнал тревоги и военно-воздушные силы принимают соответствующие меры.

Эти системы обнаруживают и обслуживают самолеты, находящиеся в воздухе или приближающиеся к аэродрому. А в момент посадки заботу о безопасности самолета и его экипажа берут на себя радиолокационные системы посадки. Одна из таких систем имеет два радиолуча, которые контролируют движение самолета в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Перед диспетчером аэропорта светятся два экрана, показывающие положение самолета, его отклонение от курса и оптимальной кривой снижения — глиссады. Как только светящаяся отметка сместится от заданного курса, или глиссады, диспетчер сообщает пилоту об ошибке и тот возвращает самолет на истинный путь, и его, как на веревочке, приводят на взлетно-посадочную полосу. Теперь заменим и оператора, и пилота вычислительной машиной, которая будет фиксировать ошибки и сама же подавать команду на их исправление. Вот мы и получили автоматическую систему посадки самолетов при любой погоде, в любых условиях видимости. Существование всепогодных истребителей-перехватчиков и бомбардировщиков было бы невозможным без такой системы посадки.

Система дальнего обнаружения самолетов противника и наведения перехватчиков — первая радиолокационная станция, непосредственно участвующая в боевых действиях. Радиолокаторы дальнего обнаружения имеют обычно очень мощные передатчики и огромные антенны. Они располагаются вблизи переднего края, что обеспечивает им большую дальность действия. По принципу работы такие станции похожи на мощные станции управления воздушным движением, правда, конечные цели у них совершенно различны. Цель станции управления воздушным движением — обеспечить безопасный полет и посадку как можно большего числа самолетов. А цель станций дальнего обнаружения — обнаружить как можно больше самолетов противника и помочь их уничтожить.

Еще в годы второй мировой войны с помощью станций дальнего обнаружения иногда удавалось обнаруживать самолеты противника в момент их взлета только с прифронтовых аэродромов и истребители по тревоге успевали подняться в воздух и отразить атаку противника. Сейчас же, где бы ни базировались самолеты противника, воздушное нападение практически не может быть внезапным.

Современные станции замечают противника задолго до его появления над рубежом обороны. В зарубежной печати сообщалось, что станции дальнего обнаружения обнаруживают не только самолеты, но и гусей, что однажды послужило поводом для объявления тревоги.

Когда самолеты нападающей стороны приблизятся к рубежу обороны, станция дальнего обнаружения передает их с рук на руки станциям наведения истребителей, которые в это время уже находятся в воздухе. Наблюдая на экранах индикаторов за положением своих и вражеских самолетов, оператор станции наведения передает пилотам истребителей команды на уточнение курса, скорости или высоты полета. В годы второй мировой войны оператор станции наведения мог наблюдать за воздушным боем визуально и успевал при этом передавать команды летчикам. Сейчас даже на экране индикатора, где сближение сверхзвуковых самолетов происходит значительно медленнее, чем в воздухе, возникает такая сложная картина, что оператор еле успевает вовремя рассчитать маневр и подать команду летчикам. Так что без радиолокации наблюдение за воздушным боем сверхзвуковых самолетов попросту невозможно.

Станции наведения имеют меньшую дальность действия, но могут точнее определять координаты самолетов, чем станции дальнего обнаружения. Они выводят истребители совсем близко к объекту атаки, чтобы цель оказалась в зоне действия бортового локатора истребителя.

Наземной станции наведения трудно управлять истребителем, иногда расстояние между ним и объектом атаки становится небольшим, так как отметки от истребителя и самолета противника на экране находятся слишком близко, а иногда и вообще сливаются. Поэтому на истребителях стали устанавливать небольшие бортовые радиолокационные станции перехвата и прицеливания. Как только такая станция «поймает» своим лучом цель, истребитель самостоятельно начинает сближаться с ней и выходит в атаку. Даже не видя противника, летчик может наводить бортовое оружие по показаниям радиолокатора, так как все данные для стрельбы уже отражены на его экране: тут и дальность до цели и ее положение относительно истребителя. Летчику остается лишь выбрать момент открытия огня и нажать гашетку. А в некоторых случаях и это за него выполняет бортовое вычислительное устройство. Выходит летчику и делать-то нечего. Если бы все было так просто, как в нашем рассказе!

Всем известно, что самолет особенно уязвим с хвоста, или, выражаясь научно, со стороны задней полусферы. Внезапная атака с этого направления очень часто кончалась победой атакующего. Поэтому особое внимание конструкторы боевых самолетов всегда уделяли защите самолета от нападения сзади. Для этого на самолете ставится радиолокационная станция «защиты хвоста». Дальность действия этой станции должна быть такой, чтобы она уверенно фиксировала все цели, приближающиеся на дистанцию открытия огня. Иногда такая станция используется и как автоматический радиолокационный прицел для оружия, прикрывающего самолет сзади. Приближаясь к бомбардировщику, имеющему такую защиту, атакующий истребитель как бы вызывает огонь на себя. А это никак не облегчает ему выполнения боевой задачи.

Радиолокатор с панорамным обзором (иногда его еще называют радиолокатором кругового обзора) в полном соответствии со своим названием производит обзор местности, над которой пролетает самолет. Вращающийся радиолуч многократно освещает все элементы земной поверхности, и их изображение появляется на экране индикатора. Лес и вспаханное поле, реки и всевозможные строения по-разному отражают падающий на них сигнал. Поэтому на экране появляется как бы черно-белая фотография местности. Лучше всего на ней видны металлические объекты — железнодорожные рельсы, мосты и крупные здания. Имея такую карту, штурман может контролировать правильность курса и в нужных случаях выбрать объект для атаки. Специальное бортовое вычислительное устройство определяет данные для бомбометания с учетом высоты и скорости полета и наносит на экран радиолокатора метку прицеливания. Как только изображение атакуемого объекта совмещается с этой меткой, срабатывает механизм сброса бомб и страшный груз обрушивается на позиции противника.

В печати не раз сообщалось о беспилотных самолетах-разведчиках с радиолокаторами на борту, которые используются, например, армией США во Вьетнаме. Наземная радиолокационная станция постоянно держит их в поле зрения и управляет их движением. На борту беспилотного самолета устанавливается радиолокатор с панорамным обзором. Но принятые отраженные сигналы не попадают на экран индикатора, да и самого индикатора нет, ведь смотреть-то на него некому. Сигналы с помощью мощного передатчика передаются в расположение своих войск и только тут попадают на экран индикатора. Оператор, сидя глубоко под землей в штабном убежище, видит радиолокационную карту местности, над которой пролетает разведчик. Так радиолокация помогает получить самые свежие разведданные о противнике.

Во время военных действий всегда существует опасность случайно попасть под огонь своих же войск. Чтобы этого не случилось, во всех армиях старательно изучают силуэты вражеских самолетов, танков и других боевых машин. В мемуарах советских летчиков — участников Великой Отечественной войны — рассказывается, что в первое время, когда на вооружение советской авиации поступили истребители Ла-5, бывали отдельные случаи, что их обстреливали наши зенитные батареи только потому, что их силуэты напоминали силуэты немецких истребителей Фокке-Вульф.

Но по отметкам целей на экране радиолокатора невозможно определить силуэт самолета. Как быть в этом случае? Для радиолокационного узнавания собственных самолетов на борту современных машин устанавливается автоматический прибор опознавания — ответчик, состоящий из приемника и передатчика. Приемник улавливает сигнал радиолокационной станции и включает передатчик. Вслед за отраженным сигналом в направлении радиолокатора посылается и сигнал опознавания. При этом на экране рядом с отметкой от цели возникает еще одно световое пятнышко. Это отзыв обнаруженного объекта: «Я свой!». А чтобы такой сигнал-отзыв не смог послать вражеский самолет, сигнал передатчика кодируют, а приемное устройство настраивают так, чтобы оно пропускало только правильно закодированные отзывы. Поэтому сигналы ответчика от самолетов противника не будут приняты приемником и не попадут на экран радиолокатора. Отсутствие метки опознавания говорит оператору, что обнаруженный объект — самолет противника.

Примером совместного использования почти всех названных выше радиолокаторов может служить национальная система управления воздушным движением в США. В ее состав входят примерно 120 РЛС, установленных в аэропортах для сопровождения приближающихся или пролетающих в районе аэропорта самолетов и управления движением воздушных кораблей во время взлета или посадки. Кроме того, создана система радиолокационного обслуживания наиболее важных маршрутных авиалиний, которая состоит из 21 сектора наблюдения и управления воздушным движением на участках между аэропортами. Дальность действия РЛС таких диспетчерских пунктов около 300 километров. Кроме того, в каждом крупном аэропорту создана собственная диспетчерская служба, в состав которой входит РЛС кругового обзора с дальностью действий порядка 80 километров, метеорологическая РЛС, РЛС дальнего действия, измеряющая дальность до приближающихся самолетов, и устройство запроса, которое определяет национальную принадлежность самолета и высоту его полета.

Предметом особой заботы специалистов, управляющих все более интенсивным воздушным движением, являются небольшие частные самолеты. Обычно их маршруты и время вылета не подчиняются никаким расписаниям, а кроме того, на экранах радиолокаторов отметки от них получаются очень слабые, так что диспетчер может их просто не заметить. В последнее время на таких маленьких самолетиках устанавливают специальные металлические отражатели. Теперь операторы надежно обнаруживают эти опасные объекты, так как сигнал от такой цели сравним с сигналом, отраженным от крупного реактивного самолета.

Можно было бы еще рассказать о радиомаяках, которые в любую погоду подскажут заблудившемуся пилоту дорогу на родной аэродром, о системе радионаведения самолетов на дальние объекты и о многом другом. Не будем делать этого по двум причинам. Во-первых, об этом уже не раз писали[8], во-вторых, подобные системы мы рассмотрим ниже. Надо же что-то оставить и на потом.

Радиолокация и ракетчики

Ракетные войска — самый молодой род войск, но по насыщенности радиолокационными станциями они уверенно обошли ВВС и прочно заняли лидирующее положение. Почти все, что делают ракетчики, так или иначе связано с радиолокацией. Например, запуск баллистической ракеты. Траекторию ее полета можно разделить на два основных участка. На первом, активном, участке двигатель ракеты работает, и это дает возможность управлять ее полетом, на втором, пассивном, ракета движется по баллистической траектории, двигатель уже не работает и ракета подобно брошенному камню, который летит по траектории, зависящей лишь от величины и направления скорости в момент броска и от массы. Управлять ракетой на этом участке уже невозможно. Поэтому для точного попадания в цель необходимо, чтобы ракета в момент окончания работы двигателя (конец активного участка) имела бы строго определенную скорость и направление движения. Эту сложную задачу выполняют радиолокаторы, установленные вблизи стартовых позиций баллистических ракет. Они непрерывно определяют параметры траектории стартующей ракеты и при отклонении характеристик полета от расчетных посылают команду на включение тех или иных корректирующих двигателей ракеты. Мощность таких двигателей обычно невелика, но ее достаточно, чтобы исправить небольшие погрешности скорости и направления полета. И только когда ракета достигает расчетной точки и получает расчетную скорость, выключаются главный и вспомогательный двигатели и последняя ступень ракеты начинает движение по баллистической кривой. Радиолокационная станция может продолжать следить за ее движением, но управлять полетом уже невозможно, так как двигатели не работают.

Баллистические ракеты выполняют обычно задачи стратегического характера. Их нацеливают на крупные и особо важные объекты, которые не могут сменить места своего расположения (например, промышленные или административные центры, крупные порты, ракетные базы и т. д.). Поэтому при точном выведении на расчетную траекторию баллистическая ракета поразит цель, хотя она и не управляема на конечном участке траектории.

Иначе обстоит дело при запуске небольших ракет, предназначенных для борьбы с самолетами, или антиракет, уничтожающих атакующие ракеты противника. В этом случае цель, которую должна уничтожить ракета, не только движется с очень большой скоростью, но и маневрирует, чтобы избежать роковой для нее встречи с антиракетой. Поэтому радиолокационные станции осуществляют управление в течение всего полета. Траектории, по которым движутся ракеты, рассчитывают вычислительные машины, и они же с помощью радиолокационной станции подают команды на изменение курса или скорости полета. При этом радиолокационная станция работает до тех пор, пока на индикаторе отметки от цели и ракеты не сольются в одну, которая ярко вспыхнет на мгновение, а потом рассыплется на мелкие звездочки и исчезнет с экрана. Цель уничтожена.

В одной из книг по радиолокации, написанной по материалам зарубежной печати, приводится следующее описание проекта комплекса противоракетной обороны, который намеревались создать в США. Здесь не случайно использовано слово «комплекс». Можно выделить для противоракетной обороны большое число станций с самыми современными характеристиками, но им не удается решить задачу надежного уничтожения баллистических ракет противника, если они будут действовать разрозненно. Сведения, полученные одной станцией, должны быть мгновенно и без всяких ошибок переданы на все другие станции и в центр управления противоракетной обороны. Поэтому в состав комплекса кроме радиолокационных станций входят вычислительные центры и автоматизированные, высоконадежные системы связи. Только они обеспечивают согласованное функционирование всего комплекса, отдельные станции которого могут быть расположены в сотнях и даже в тысячах километрах друг от друга.

Итак, о радиолокационных системах комплекса. Первыми узнают об угрозе нападения операторы станций раннего обнаружения. Пока они рассматривают цель на экране индикатора, вычислительная машина, работающая во взаимодействии со станцией, определяет текущие координаты цели, строит наиболее вероятную траекторию ее полета и принимает решение, представляет ли данная цель опасность или нет. В течение нескольких секунд машина ответит на вопрос, что мы видим на экране: спутник, метеорит или атакующую ракету. В последнем случае по системам связи комплекса в центр противоракетной обороны и на станцию целеуказания передается сигнал об обнаружении цели. Станция целеуказания значительно точнее определяет координаты цели и передает информацию на станцию распознавания. Задача последней — дальнейшее уточнение характера летящей цели и выделение (распознавание) настоящей боевой головки среди множества ложных целей, которые выбрасывает атакующая ракета на последнем участке траектории.

Чтобы представить себе сложность и размеры этих станций, приведем характеристики одной из станций распознавания, работающей в США. Вес антенной системы этой станции 200 тонн, диаметр параболической антенны 26 метров, диаметр обтекателя, предохраняющего антенну от ветров, ураганов и атмосферных осадков, 43 метра. Высота сооружения превышает высоту 15-этажного дома. Стоимость ее оценивается примерно в 16 миллионов долларов. И это лишь одна из станций противоракетного комплекса!

Все три станции, о которых мы говорили выше, составляют, так сказать, решающую инстанцию. Если все они решат, что цель представляет опасность и должна быть уничтожена, то в дело вступают боевые средства — инстанция исполнительная. Сюда кроме батареи антиракет входят две радиолокационные станции. Станция сопровождения следит за целью и непрерывно определяет ее текущие координаты, а станция наведения следит за антиракетой и определяет ее мгновенное положение. Данные обеих станций поступают в вычислительную машину, которая определяет траекторию антиракеты, обеспечивающую поражение цели. Соответствующие команды передаются на борт антиракеты и позволяют ей успешно перехватить цель. Приведенная схема работы противоракетного комплекса взята из описания системы «Найк-Зевс», созданной в США. По данным зарубежной печати, разработаны проекты и других систем, схемы работы которых несколько отличаются от этой.

Вот, например, некоторые данные о противоракетном комплексе «Сейфгард», которые приведены в американской прессе[9]. К 1974 году намечено построить первый комплекс «Сейфгард» в США, в 3 500 километрах от границы Канады, в Ленгдоне. Он будет состоять из двух основных радиолокационных станций и полигонов ракет-перехватчиков. Станция кругового обзора пространства, над которой работает компания «Дженерал электрик», будет представлять собой станцию дальнего действия, предназначенную для раннего обнаружения боеголовок противника на расстоянии 1 500 километров или больше и сопровождения их. Станция будет находиться в подземном железобетонном здании длиной и шириной около 60 метров и высотой 40 метров. Комплекс будет также включать подземную силовую установку, туннель для подъезда и систему связи, проложенную под землей. На ракетных полигонах будут развернуты ракеты дальнего действия «Спартан» и ракеты ближнего действия «Спринт». Их наведение на боеголовки ракет противника осуществляет вторая станция — РЛС защиты стартовых позиций. Она обеспечивает точное сопровождение цели на расстоянии нескольких сотен километров, распознавание наиболее опасной цели и наведение на нее антиракет. Перед этими сложными и наиболее современными радиолокационными станциями ставится задача одновременного перехвата от десятков до сотен целей. Задача, скажем прямо, совсем не простая даже для таких уникальных станций.

Для доказательства того, что эти станции действительно уникальны, укажем, что стоимость каждой из них, включая полную стоимость работ от закладки фундамента до боевых испытаний, оценивается в 150–200 миллионов долларов.

На атолле Кваджелейн в Тихом океане в конце 1968 года проходили оперативные испытания прототипа ракетно-радиолокационного комплекса. В 1970 году там же намеревались провести огневые испытания с использованием РЛС и ее оборудования для обработки информации при управлении запусками ракет «Спартан» и «Спринт».

Наиболее важным элементом таких систем является, по-видимому, станция раннего обнаружения. Чем раньше она обнаружит цель, тем больше времени останется для подготовки к отражению нападения и тем дальше от рубежа обороны антиракета встретится с целью. Чтобы раньше обнаружить цель, надо иметь как можно более мощную станцию. Создали самую мощную станцию.

Но хотелось бы обнаружить цель еще раньше. В зарубежной печати рассматриваются два возможных пути.

Первый путь — создание радиолокационных дозоров. Так называют комплекс станций раннего обнаружения, установленных на кораблях или самолетах. Морской радиолокационный дозор состоит из целой флотилии кораблей, плавающих в международных водах вдали от своих берегов. Места их крейсирования подобраны так, чтобы можно было держать под наблюдением все возможные направления пуска ракет предполагаемым противником. Ту же самую задачу может выполнить и авиационный дозор. По сравнению с морским он имеет то преимущество, что с увеличением высоты увеличивается и дальность действия радиолокационных станций, а значит и обнаружить цель можно раньше. Используемые для этой цели самолеты летают довольно медленно (по сравнению, конечно, со сверхзвуковыми истребителями и ракетоносцами), но могут очень долго находиться в воздухе.

Второй путь — применение загоризонтных радиолокационных станций. Обычно в радиолокаторах используют ультракороткие волны, то есть волны очень малой длины (несколько сантиметров или дециметров). Эти волны распространяются практически прямолинейно и не огибают поверхности земли. Именно поэтому дальность действия радиолокаторов ограничивается линией горизонта (из-за этого, кстати, и повышается дальность действия радиолокатора, установленного на самолете, так как линия горизонта при этом значительно удаляется).

Переход на более длинные волны связан для радиолокаторов с рядом неудобств. Такие волны хуже отражаются от небольших объектов, станции при этом становятся очень громоздкими, ухудшается точность определения координат цели и так далее. Но зато эти волны огибают поверхность земли и позволяют «заглянуть за горизонт». Главной целью станции раннего обнаружения, по мнению иностранных специалистов, является определение самого факта запуска ракеты. Столб пламени, возникающий при старте ракеты, довольно хорошо отражает длинные волны, и эхо-сигнал может быть зафиксирован приемником, а точные координаты цели определят уже другие станции, когда она приблизится к рубежу обороны. Система радиолокационных станций позволит, по-видимому, в будущем регистрировать запуск ракет в любой точке земного шара. Некоторые загоризонтные РЛС работают и на коротких волнах. В этом случае радиоволны не огибают поверхность земли, а отразившись от ионосферы, как от зеркала, достигают точки поверхности, расположенной далеко за горизонтом. Иногда радиоволна совершает несколько таких «скачков» между поверхностью и ионосферой, так что ряд последовательных переотражений ионосфера — поверхность — ионосфера — поверхность и так далее заставляет сигнал совершить кругосветное путешествие. Тогда в приемнике радиолокатора появится сигнал, конечно, очень слабый, который может рассказать об отражающих свойствах целого ряда областей, расположенных по всему периметру земного шара.

Для более надежного поражения воздушного противника на антиракеты, так и на зенитные ракеты, иногда ставят небольшую автономную радиолокационную станцию. Тогда в непосредственной близости от цели ракета переходит на управление от собственного радиолокатора. Облучая цель и принимая отраженный сигнал, этот локатор с помощью небольшой логической системы управляет ракетой, направляя ее на маневрирующую цель. Иногда на ракете устанавливают лишь приемник радиолокационных сигналов. В этом случаев облучение цели (как говорят специалисты, «подсветка цели») производит наземная радиолокационная станция, а прием отраженных сигналов остается на долю устройства, установленного на ракете. Это упрощает схему оборудования, размещенного в стремительно летящей ракете, и повышает ее надежность. Как видите, взаимодействие между наземной станцией и ее младшим собратом в ракете может принимать самые разнообразные формы.

Плавающие радиолокационные станции

Моряки тоже не упустили возможности использовать преимущества радиолокации. Современный корабль в зависимости от его класса имеет на борту от одной-двух до 35 радиолокационных станций (по зарубежным данным, линкоры или авианосцы — 30–35 радиолокаторов, крейсера — до 20 станций, эскадренные миноносцы — до 10, подводные лодки — до 5, и даже портовые буксиры имеют хотя бы одну радиолокационную станцию).

Чем же занято это многочисленное семейство радиолокаторов?

Первая станция — наша старая знакомая — радиолокационная станция кругового обзора. Она служит для наблюдения за окружающей обстановкой, предупреждая моряков о появлении и своих кораблей, и кораблей противника. Вращающаяся антенна этой станции хорошо видна на любом корабле. Ее стремятся расположить как можно выше, чтобы палубные надстройки и мачты не мешали обзору пространства.

Так же, как и в авиации, действует здесь и радиолокационная система обнаружения кораблей, которая не дает противнику подойти незамеченным. Часто на кораблях устанавливают специальные станции для наблюдения за воздушным пространством. Они, как надежные часовые, охраняют корабли от воздушного налета. Специальные станции корректируют стрельбу корабельных орудий главного калибра, наводят зенитные орудия на самолеты врага и управляют стрельбой торпедами. Даже в своем родном порту радиолокация надежно охраняет корабль, позволяя ему в любую погоду избегать столкновений с маневрирующими судами. Созданные в последнее время судовые радиолокационные станции с помощью простых вычислительных устройств заранее предупреждают экипаж о возможности столкновения судна с находящимися в опасной близости кораблями, чтобы капитан мог вовремя изменить курс. Вот так и набираются десятки станций, которые необходимо установить на каждом современном корабле. Следует добавить еще радиолокаторы, установленные на борту самолетов военно-морских сил, радиолокационные системы наведения ракет, которыми вооружены боевые корабли — ракетоносцы, радиолокаторы на борту вертолетов, используемых для поиска и уничтожения подводных лодок и так далее.

А сейчас мы несколько подробнее остановимся на радиолокационной системе навигации, которая обеспечивает безопасность судов при плавании вблизи морских берегов, в устьях рек и акваториях портов. Рассмотрим одну из таких систем, которая создана в ФРГ и обслуживает побережье Балтийского моря и устья впадающих в него рек.

В 1958 году после многолетних исследований министерство путей сообщения ФРГ приняло решение о создании радиолокационной системы на реках Эльбе и Везере для обеспечения безопасности судоходства ночью и во время тумана. В 1966 году эта система была дополнена линией радиолокационных станций на Эльбе. Кроме того, в последние годы была построена радиолокационная линия в Гамбургском порту. Необходимость таких линий береговых станций связана с тем, что судовые радиолокационные приборы, хотя и позволяют обнаруживать цели и определять их координаты, но не всегда могут дать достаточно информации о них. Отдельный судовой радиолокатор не позволяет оценить обстановку на большом участке извилистой и довольно узкой реки, поэтому создание системы очень помогает судоводителям.

Операторы, находящиеся у экранов береговых радиолокационных станций, не только хорошо знают район, но используют также дополнительную информацию из самых различных источников. Судовое командование получает от них по радио точные данные о положении на трассе и благодаря этому имеет возможность принять необходимые меры для обеспечения безопасности движения.

Судоходный участок реки Везер очень узок, длина его от маяка Альте Везер до Бремерхафена примерно 60 километров. Затопляемые приливом песчаные отмели, которых много на этом участке, представляют опасность для судоходства. Поэтому местом установки радиолокационных станций были выбраны три маяка: Альте Везер, Хое и Роббен Плате, — дополнительно был построен маяк в Блексене. Максимальная дальность действия радиолокаторов была выбрана равной 12 километрам. При этом на экране индикатора одновременно можно наблюдать изображение предметов, расположенных на участке с радиусом 6 километров. Так как фарватер Везера очень узок, то было необходимо, чтобы радиолокаторы позволяли наблюдать раздельно цели, находящиеся друг от друга на расстоянии 15 метров. Антенны были установлены на вышках трех маяков, над источниками света, поэтому проектировщики стремились по возможности уменьшить общий вес антенны, вращающего ее привода и другого оборудования. Радиолокационные станции должны быть не только малогабаритными и надежными в эксплуатации, но и стойкими к воздействию морского климата.

Так как радиолокационная информация обрабатывается в Бремерхафене, то для передачи изображений и всех сигналов управления и телекоманд предусмотрены радиорелейные линии связи.

В настоящее время оператор передает на судно по переговорному УКВ устройству сведения о положении на данном участке фарватера и обращает внимание командования судна на возможные опасности. В перспективе данные радиолокатора будут автоматически передаваться по радио на борт судна. Специальные приборы по этим сигналам воссоздадут на своих экранах обстановку на трассе. Эта картина должна иметь такую же четкость, как и изображение на экране радиолокатора. Соответствующая аппаратура должна доставляться на судно лоцманом или установлена на борту каждого судна.

Для передачи информации необходимо использовать как можно более узкую полосу частот, так как в районах портовых городов и без того работает много станций и эфир сильно перегружен.

Создатели этой системы рассматривают проблему опознавания судов. Даже при максимальной разрешающей способности, обеспечивающей достаточную четкость контуров цели, обычно трудно опознать цель. В воздушной навигации для этого устанавливают на самолете импульсный ответчик, посылающий в момент приема радиолокационного и запросного импульсов опознавательный сигнал, который затем в радиолокаторе попадает на экран индикатора рядом с сигналом от самолета. Но для этого необходимо установить импульсные ответчики на всех опрашиваемых объектах. Можно обойтись и без ответчика. Этот метод был испытан в системе наземных радиолокационных станций, обеспечивающих безопасность движения судов. В этом случае бортовое переговорное УКВ устройство, применяемое для связи с радиолокационной станцией, пеленгуется двумя УКВ пеленгаторами. Данные этих пеленгаторов используются для определения положения опрашиваемого судна. Таким образом, последовательно могут быть опознаны все суда.

Чтобы облегчить оператору наблюдение за опознанными судами, рядом с соответствующей радиолокационной отметкой на экране может быть высвечено условное обозначение. Кроме линий направления на цель на экран может быть нанесена карта всего района или характерные объекты, например бакены. Когда бакены из-за ледохода снимаются, их положение на экране остается отмеченным.

Так, уже в 1955 году была осуществлена проводка морских судов с помощью радиолокационных линий на Черном море, в окрестностях Одессы. Сейчас радиолокационные поводыри трудятся и на Балтийском море, и на берегу Кольского залива, обеспечивая безопасность судов на самых опасных участках фарватера и около портов, где всегда особенно активное движение судов. Чувствуя себя уверенно, капитаны могут вести свои корабли на большой скорости, а это экономит время и позволяет увеличить пропускную способность портов.

Есть и еще один любопытный пример применения радиолокационной станции на море. На Лейпцигской ярмарке 1967 года демонстрировались радиолокаторы, предназначенные для установки на пожарных катерах. Такие станции окажут неоценимую услугу морским пожарникам, которым приходится работать в клубах дыма, когда на расстоянии нескольких метров уже ничего не видно.

А уж если морякам не повезет и им придется покинуть родной корабль и спасаться от разбушевавшейся стихии на шлюпках, то и тут радиолокация придет на помощь. Для этого разработаны специальные РЛС поиска и спасения на море, которые имеются в распоряжении береговой охраны. При большом волнении на море они за 16 километров уверенно обнаруживают шлюпку с потерпевшими бедствие. После этого можно уже не волноваться за их судьбу.

Общевойсковая радиолокация

Ну и наконец, сухопутные войска. В авиации радиолокационные станции летают на самолетах, на флоте плавают на кораблях. Ну а в современных сухопутных войсках, где уже давно нет пехоты в привычном для всех нас смысле слова, радиолокационные станции перемещаются на колесах, а в одном из иностранных журналов был даже приведен снимок оператора, переносящего РЛС в небольшом футляре на спине.

Поэтому в названии почти всех станций, используемых в иностранных сухопутных войсках, будут встречаться слова: портативная, переносная, передвижная, мобильная и так далее. Однако, несмотря на свою «малокалиберность», эти станции выполняют весьма важные функции и любой наземный бой в наше время просто немыслим без радиолокации. Самая главная их задача — это, конечно, наблюдение за полем боя. По данным зарубежной печати, в настоящее время общевойсковой командир имеет в своем распоряжении, например, такие станции.

Переносная полевая радиолокационная станция. Работающий на ней оператор обнаруживает движение войсковой колонны за 1,5–2 километра, машину — за 6 километров. Усовершенствованный вариант этой станции имеет вес всего 4,5 килограмма и обслуживается одним оператором, да и тому не обязательно находиться около самого радиолокатора — хорошей мишени для противника. Оператор может находиться за сотни метров от станции, так как в ней предусмотрено дистанционное управление. В радиолокаторах такого типа не делают индикаторов с большими экранами. Обнаружение цели производится оператором на слух, так как принятый отраженный сигнал преобразуется в звуковой, высота тона и громкость которого зависят от характера цели. Опытный специалист может, например, на слух определить, что он обнаружил: одного или несколько идущих солдат, или, может быть, ползущего разведчика, машину на гусеничном ходу или колесный автомобиль. Некоторые станции могут обнаружить даже нейлоновый шпагат диаметром 3,2 миллиметра на расстоянии до 300 метров.

Созданы портативные станции, которые заменяют часовых при охране важных объектов. Они обнаруживают человека за 45 метров, машины за 180 метров и определяют скорость движения замеченных объектов.

Как видите, совсем неплохие характеристики. А ведь разработчикам пришлось не только решать сложные задачи, связанные с разработкой малогабаритных портативных радиолокаторов, но и преодолеть ряд других трудностей. Главная из них — помехи от местных предметов. Когда луч радиолокатора направлен в небо, то он может встретить на своем пути лишь самолеты или ракеты. Отметки от них будут отчетливо видны на чистом экране индикатора. Когда же радиолучи скользят вдоль поверхности земли, любые строения, лес, холмы и все окружающие предметы будут видны на экране. На их фоне совсем непросто заметить нужную цель. Вот тут-то и находят применение допплеровские радиолокаторы с непрерывным излучением (помните мы о них говорили в одной из первых глав). В приемники таких станций попадают лишь сигналы от движущихся объектов, а это как раз то, что нужно. Сигналы, отраженные от неподвижных местных объектов, не будут приняты и не помешают обнаружить движущиеся цели.

Есть в иностранных войсках и воздушные радиолокаторы-разведчики, установленные на вертолетах. В одной из таких вертолетных станций весьма остроумно решена задача непрерывного обзора поверхности земли. Обычно для этого применяют вращающуюся антенную систему со специальным двигателем. А тут конструкторы взяли и разместили антенну в лопастях несущего винта вертолета, ведь он же все равно вращается. И теперь винт кроме основной своей обязанности — поддерживать вертолет в воздухе — выполняет еще и роль вращающейся антенны для системы кругового обзора.

Противоартиллерийские радиолокаторы кроме разведки выполняют еще одну важную задачу — защищают свои войска от артиллерийского или минометного огня противника и от тактических ракет. Радиолокаторы непрерывно наблюдают за позициями противника и как только замечают летящую мину, снаряд или ракету противника, то сразу же переходят на слежение за ними. Данные о траектории снаряда поступают в вычислительное устройство, которое через несколько секунд строит полную траекторию полета и определяет точку, откуда послан снаряд. Данные передаются на артиллерийские позиции, и по точке, где расположено орудие противника, мгновенно открывается подавляющий огонь. При этом та же самая станция, которая обнаружила врага, корректирует огонь своих орудий, прослеживая на этот раз траекторию полета своих снарядов и определяя место их падения. Так же действует эта система при ракетном или минометном обстреле.

Как и во всех родах войск, в сухопутных войсках есть радиолокаторы наблюдения за воздушным пространством, станции наведения зенитных ракет и истребителей противовоздушной обороны. Состоят на вооружении и другие станции.

Вообще говоря, используемая нами классификация радиолокационных станций по их применению в различных родах войск довольно условна. Куда, например, отнести радиолокационные взрыватели, размещенные в артиллерийском снаряде, которые использовали воюющие стороны во время второй мировой войны. В ней есть и передатчик, и приемник, и источник питания — батарея элементов, начинающая работать от удара в момент выстрела. Когда снаряд приблизится к цели на заданное расстояние, взрыватель подает сигнал на взрыв снаряда. Применение таких устройств существенно повысило эффективность артиллерийского огня и в зенитной артиллерии, и военно-морском флоте, и в сухопутных войсках. Так к какому роду войск их приписать? Радиолокация верно служит во всех родах войск, охраняя от внезапного нападения и повышая боевую мощь современной армии.

Радиолокация и наука

А как же складываются отношения между радиолокацией и наукой? Неужели радиолокация оказалась неблагодарным ребенком, который в сутолоке дел совсем забыл про родителей — ученых? К счастью, так не произошло. Между наукой и радиолокацией сложились хорошие отношения, полезные для обеих сторон. Ученые непрестанно работают над усовершенствованием методов и техники радиолокации, а она, в свою очередь, оказывает им посильную помощь в исследовании природы.

Впервые радиолокационные методы были использованы в науке для исследования ионосферы. Вспомните, ведь первым прототипом радиолокатора была именно ионосферная станция М. А. Бонч-Бруевича. Ионосфера подобна слоеному пирогу, для каждого слоя которой характерна своя концентрация электронов и ионов. При определенной концентрации электронов в слое (она называется критической) радиоволны будут отражаться от него. Значение критической концентрации электронов для волн различной длины разное. Поэтому, замеряя высоту, на которой произошло отражение сигнала с той или иной длиной волны, можно получить распределение электронной концентрации по всей высоте ионосферы. Эти сведения представляют не только чисто академический интерес (с точки зрения физики атмосферы Земли), но и имеют большую практическую ценность. Зная характеристики ионосферы, можно прогнозировать условия распространения радиоволн, используемых в различных системах связи.

Незаменимым помощником стала радиолокация и для метеорологов. Мы уже немного говорили об этом в одной из глав, но хотелось бы остановиться подробнее. Самый простой метод наблюдения за погодой — это запуски шаров-зондов с метеоприборами. Если к такому шару-зонду прикрепить легкий металлический отражатель, то радиолокатор проследит за его перемещением на расстоянии в несколько сот километров. При этом удается установить скорость и направление воздушных течений на различных высотах. Это, так сказать, косвенный метод наблюдения за атмосферой. Но радиолокация может и непосредственно наблюдать за облаками, грозовыми фронтами и тайфунами.

Характеристики современных станций настолько совершенны, что позволяют не только регистрировать движение фронтов облачности, но и оценивать интенсивность осадков. Как сообщалось в зарубежной печати, создана метеорологическая радиолокационная станция, которая позволяет фиксировать даже турбулентные образования в чистой атмосфере, то есть, грубо говоря, замечать завихрения, возникающие при перемещении слоев атмосферы. Эта станция имеет такую чувствительность, что специалисты на расстоянии в 16 километров могут отличить пчелу от бабочки[10]. Особенно важную роль играют метеорологические радиолокаторы при наблюдении за ураганами и тайфунами. На основании полученных данных посылаются предупреждения командам судов, находящихся в угрожаемых районах, и летчикам, маршруты которых пролегают вблизи опасных мест.

Насколько успешно действуют такие системы? Например, центральная авиаметеорологическая станция Москвы, обслуживающая московские аэродромы и оснащенная весьма совершенными радиолокационными станциями, только за 1969 год обеспечила 200 тысяч самолетовылетов. Причем ни один самолет не возвратился из рейса из-за неоправдавшегося прогноза.

Высокая точность измерения расстояния до отражающего объекта, которую обеспечивают современные станции, позволяет использовать радиолокацию для картографирования земной поверхности, причем картографирование может осуществляться и с самолетов, что позволяет охватить сразу очень большие площади. В иностранной печати сообщается, что загоризонтные радиолокаторы дадут возможность производить съемку береговых линий, удаленных на расстояние в тысячи километров. Это возможно потому, что сигналы, отраженные от морской поверхности, которая всегда хоть немного да волнуется, отличаются по частоте от эхо-сигналов, отразившихся от неподвижного берега (вспомните эффект Допплера).

Огромные пространства занимают в арктических морях торосистые льды — могучие поля, взломанные сжатиями, громоздящиеся друг на друга, спрессованные ветрами, спаянные морозами. Перед ними пасуют даже мощные современные ледоколы. В таких случаях на помощь приходит ледовая разведка[11]. Еще в начале освоения Северного Морского пути полярная авиация помогала морякам покорять суровые северные моря. Поднимается в воздух самолет с разведчиками на борту. Они зарисовывают ледовую обстановку, намечают на карте возможный маршрут движения каравана. Потом самолет на бреющем полете проносится над судном и сбрасывает на палубу вымпел с этой картой. Но в суровых условиях Арктики даже опытные пилоты не всегда могли вылететь на разведку — мешала погода. То была разведка визуальная. А теперь благодаря радиолокации начинает применяться разведка инструментальная. Для этого на борту самолета АН-24 была смонтирована радиолокационная установка с вполне арктическим названием «Торос». Каждые четыре минуты луч радиолокатора охватывает с большой высоты площадь в сотни квадратных километров, специальный фотоаппарат фотографирует изображение на экране радиолокатора — и подробная карта ледовой обстановки готова.

На одном из таких снимков крохотная с ноготок стрелка уперлась в пятнистое, как бы слоеное, нагромождение льда. Это ледокол «Киев» в северо-восточной части Карского моря. Закрыт путь кораблям, не пробиться через такую преграду ни флагману, ни каравану. Но рассмотрим следующий снимок. Тонкая белесая дорожка огибает ледяной массив, петляет по темным разводьям. Так шел «Киев» во главе своего каравана, шел в сплошном тумане, пользуясь маршрутом, рекомендованным ему радиолокационной разведкой.

А вот еще один случай. На полярном Урале летом 1969 года несколько недель подряд шли проливные дожди. Провести аэрофотосъемку перед выходом полевых партий геологов не удалось. Тут-то и выручила радиолокация. Поднялся с Воркутинского аэродрома АН-24 со своим «Торосом», глянул вниз сквозь дождевые облака, и суровый лик уральской земли со всеми ее морщинами запечатлелся на пленке. Геологи дивились: такие четкие изображения не всегда удавались аэрофотографам и при идеальной погоде.

Летал АН-24 и к Берингову морю, помогая рыбакам выбираться из льдов, и в Туркмению — там по радиолокационным изображениям земной поверхности определились источники подземных вод. Поступили заявки и от строителей-транспортников на разведку трасс будущих железных дорог.

Вот сколько нужных и полезных земных дел на счету у радиолокации! Но ей уже тесно в земных границах. Настало время, когда можно с полным основанием говорить о том, что…

Радиолокации пора осваивать космос

В 1946 году специалисты Венгрии и США впервые осуществили прием отраженных радиолокационных сигналов при облучении Луны. С тех пор спутница нашей Земли непрерывно изучается с помощью радиолокационных установок, которые непрерывно совершенствуются. Радиолокация помогла не только точно измерить расстояние до Луны, но и высказать целый ряд предположений о ее строении и характере поверхности. Нетрудно понять, насколько необходима была эта информация для посадки на поверхность Луны советских автоматических межпланетных станций и космических кораблей «Апполон» с исследователями на борту.

В 1961 году ученым СССР, США и Англии удалось получить отраженные сигналы при радиолокации Венеры. В советской печати подробно освещались результаты этих работ, за которые коллектив ученых во главе с академиком В. В. Котельниковым был удостоен Ленинской премии.

Дальнейшими этапами развития космической радиолокации были успешные опыты по исследованию Марса и даже Юпитера в 1963 году. Насколько трудно было осуществить эти эксперименты, позволяют судить такие цифры. Расстояние до Юпитера 1 200000 000 километров, задержка обратного сигнала 1 час 6 минут, время за которое накапливался слабый отраженный сигнал — свыше 20 часов. Представляете себе, сколько труда было вложено в создание такого чувствительного радиолокатора, который смог бы «поймать» цель, удаленную на такое огромное расстояние? И все-таки наши советские специалисты смогли решить и эту задачу.

Ученые и радиоспециалисты США осуществили успешный эксперимент по радиолокации Солнца. И в этом случае слабый эхо-сигнал пришлось накапливать 17 минут. Значительное время для радиолокации, где счет идет на миллионные доли секунды. В этом эксперименте удалось получить данные о характере радиоизлучения Солнца, о движении массы солнечной короны и о скорости солнечного ветра.

Всем, кто внимательно следит за ходом работ по исследованию космического пространства, должна быть известна та важная роль, которую играет радиолокация. Вывод космических кораблей на орбиту, слежение за траекторией их полета, мягкая посадка межпланетных станций и приземление космических кораблей с экипажем на борту, даже поиск уже приземлившихся или приводнившихся кораблей — вот далеко не полный перечень задач, выполняемых радиолокационными станциями.

Сближение космических кораблей на орбите, стыковка, путешествие американского корабля «Апполон» к Луне и обратно показывают, какого высокого уровня достигла современная радиолокация.

И, наконец, совсем недавно, в 1970 году, был проведен блестящий космический эксперимент, в ходе которого советская автоматическая станция «Луна-16» доставила на Землю образцы лунного грунта. Точность выведения станции на орбиту, управление ее полетом, организация бурения и возвращение «Луны-16» на Землю удивили всех, кто следил за ходом этого уникального эксперимента. Даже осторожные в оценках специалисты на этот раз в статьях и комментариях на страницах газет не скупились на восторженные отзывы.

Значительная часть вполне заслуженных похвал должна быть отнесена и к радиолокации. С ее помощью специалисты контролировали запуск космического корабля, следили за совпадением истинной траектории с расчетной. Данные радиолокаторов послужили исходным материалом для расчета маневра коррекции траектории. Радиовысотомер помог станции осуществить мягкую посадку на поверхность Луны. Те же радиолокаторы, что провожали «Луну-16» в трудный полет, встретили ее на обратном пути и «привели» в точку приземления. Так что успешный исход грандиозного эксперимента — это подлинный триумф радиолокации.

Все мы постепенно привыкаем к жизни в космическом веке. Информацию о запуске очередного спутника серии «Космос» с большим трехзначным номером теперь уже печатают где-то на третьей-четвертой страницах центральных газет. Вы помните заголовок сообщения о полете очередного космического корабля с экипажем на борту? «На работу в космос!» Рядом с привычным словом «работа» даже слово «космос» начинает терять свою романтическую окраску. Да, в приземном космосе человечество переходит к работе, а космические разведчики — беспилотные аппараты — уходят к другим планетам солнечной системы. На околоземных орбитах вспыхивают огни сварки, по Луне колесит деловитый исследователь — «Луноход-1». Эта очень симпатичная машина, в которой соединились и привычные для нас, землян, формы, и детали машин, созданные воображением фантастов, проводит механический и химический анализ лунных пород, изучает рельеф поверхности Луны, словом, трудится изо всех сил.

Ну а как работает в космосе радиолокация? Мы уже говорили, что ни один запуск космического аппарата не обходится без участия радиолокационных станций. Но этим роль радиолокации не ограничивается. В недалеком будущем на космических орбитальных аппаратах предполагается устанавливать радиолокационные станции, которые позволят не только проводить научные исследования, но и помогут решить важные народнохозяйственные задачи.

Некоторое представление об областях применения радиолокаторов может дать приводимый ниже перечень, составленный по материалам зарубежной печати.

1. Сельское и лесное хозяйство: исследование плотности растительного покрова, распределение лесных массивов, лугов и полей, определение вида почв, их температуры и влажности, контроль за состоянием ирригационных систем, обнаружение пожаров.

2. География: определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология.

3. Геология: определение состава пород и их структуры, стратиграфия осадочных пород, поиск минеральных месторождений, отработка техники разведки полезных ископаемых.

4. Гидрология: исследование процессов испарения влаги, распределение и инфильтрация осадков, изучение стока грунтовых вод и загрязнения водных поверхностей, определение характера снегового и ледового покрова, наблюдение за водным режимом главных рек.

5. Океанография: определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов, картографирование береговой линии, наблюдение за биологическими явлениями, проведение ледовой разведки.

Пока еще очень трудно говорить о конкретных схемах космических радиолокаторов, которые будут проводить эти исследования, но уже сейчас можно представить тот огромный объем работы, который им предстоит выполнить.

Если Вы на основании приведенного перечня прикинете, хотя бы приблизительно, сколько людей так или иначе связано с радиолокацией, то наберется довольно большая армия людей, которые знают, что такое радиолокатор, как он работает и что он может сделать. Но значительно большее число людей ежедневно сталкивается с радиолокацией, даже и не подозревая, что…

Она всегда рядом с каждым из нас

Заранее догадываюсь, что Вы хотите сказать. Да, вполне может быть, что Вы человек сугубо штатский и не занимаетесь наукой. Но это вовсе не значит, что радиолокация так далека от Вас, как это кажется. Она рядом с Вами всегда и везде. Не верите? Немного терпения, немного воображения, и я постараюсь убедить Вас в этом.

Каждый год приходит время летних отпусков. Одни надеются лишь на свои собственные силы и отправляются отдыхать дикарями, другие полагаются на профсоюзные организации. Мой друг Виктор, о котором дальше пойдет речь, принадлежит, несомненно, ко второй категории отпускников. Поэтому еще задолго до начала отпуска он приложил все силы, чтобы достать хорошую путевку. Что сейчас считается хорошей путевкой? Несколько лет назад это была бы, конечно, путевка на юг, на Черноморское побережье. А теперь мода и Курортное управление начинают перераспределять потоки отдыхающих, отвлекая их от жаркого и перенаселенного юга в направлении прохладного, величественного, сказочно красивого севера. Круизы по северным морям, поездки на Шпицберген — вот самые модные маршруты нашего времени. Теперь Вам ясно, почему был счастлив Виктор, когда ему удалось получить путевку в международный дом отдыха в Гренландии, в живописном местечке с поэтическим названием Тулé. Правда, путевка была, что называется, горящей. Но зато какая путевка! Надо сказать, что путешествие не обмануло ожиданий Виктора. Он приехал отдохнувший, загоревший и переполненный впечатлениями. Целую неделю он мешал всем работать, рассказывая по нескольку раз одно и то же. Вот почти стенографическая запись рассказа Виктора.

Как я ездил в Гренландию

Ну, привет! Ты же знаешь, что мне подсунули путевочку, которая уже горела белым пламенем. Собираться было некогда. Побросав в чемодан пару нейлоновых носков, две-три сорочки, смокинг, электробритву и тренировочные штаны, я захлопнул дверь квартиры и выскочил из дома. К счастью, в этот момент к соседнему дому подошло такси, из которого вышел пожилой человек в темных очках с большой тростью красного дерева. Он вошел в дом, а на лобовом стекле такси зажегся желанный зеленый огонек.

В аэропорт и, пожалуйста, побыстрее, — говорю в кожаную спину шофера и наконец-то перевожу дыхание. Билет на самолет в кармане, чемодан рядом на потертом сидении такси. Кажется, все в порядке, еду.

Войдя в мое положение и предчувствуя возможность материального поощрения, шофер погнал машину, не особенно заботясь о соблюдении правил уличного движения. Ну и, как всегда в таких случаях, ОРУД не дремал. Вскоре нас обогнала и прижала к обочине сине-желтая милицейская «Волга». Штраф! Но меня это уже почти не волнует. Скорей, скорей в аэропорт! Проскакиваем длинный темный туннель и вырываемся на просторное загородное шоссе. Два-три поселка, несколько крутых поворотов, и вот, наконец, аэропорт. Ух, кажется, все-таки успел. Бегом к трапу, и вот уже мягкое сиденье приняло в свои объятья незадачливого отдыхающего. Взлет, самолет быстро пробивает низко нависшие над аэродромом тучи, и яркое солнце залило салон, внося умиротворение и блаженное спокойствие в души путешественников. Но вот и посадка. Мягкий толчок, и самолет подруливает к зданию аэропорта. Опять такси мчит меня через весь город в морской порт. Мимо мелькают величественные здания старого портового города. А вот и причалы, у одного из которых пришвартован наш лайнер, похожий издали на белоснежный айсберг, а вблизи — на растревоженный муравейник. Едва успел распаковать вещи и устроиться в каюте, как корабль отчалил и палуба под ногами стала заметно вибрировать. Момент выхода корабля из порта пропускать никак нельзя, выскакиваю на палубу, машу неизвестно кому рукой, только чтобы не выделяться в толпе у поручней, а в это время лайнер, лавируя между стоящими на рейде судами, выходит из гавани. Скорость возрастает, и вот уже теплоход мерно покачивается на волнах. Спешка окончена, можно и отдохнуть, тем более, что громкоговорители разносят по палубам классическую реплику актеров-неудачников: «Кушать подано!»

Отведав морской кулинарии, снова выхожу на палубу. Но прогулки не получилось. На море туман, ничего не видно и как-то промозгло, холодновато. Это не тропики.

Что ж, придется идти спать, утешая себя мыслью, что от сна еще никто не умирал. Завтра будем на месте, а мерная вибрация корпуса от мощных двигателей может заменить любое снотворное.

А утром уже любуемся величественными (что поделаешь, раз они действительно величественные) берегами Гренландии. Вот и дом отдыха. Прекрасный климат, хорошее питание, приятное общество, а по вечерам дежурное местное блюдо — полярное сияние. Все, конечно же, ходят его смотреть, прямо ритуал какой-то (кроме картежников — наши играют в преферанс, иностранцы — кто во что горазд). Зрелище действительно потрясающее, и в первый, и во второй раз, и дальше, наверное, впечатление будет то же. Правда, наблюдать его приходится на фоне каких-то громадных зданий фантастической архитектуры, но и к ним можно привыкнуть, как к декорациям на сцене. Говорят, что это какой-то научно-исследовательский институт. Ну, да бог с ним. А сияние — это здорово, попробую передать впечатление от него…

Дальше идут неясные междометия, выражающие его восторг, восхищение и тому подобные чувства. Их не стоит приводить, тем более, что еще никому не удалось описать это зрелище. Полярное сияние охватило Виктора мягкими мохнатыми лапами и теперь торжествующе размахивало над ним своими переливающимися, сказочно красивыми крыльями. Ну и пусть себе размахивает, а мы вернемся к радиолокации. Вы еще не забыли, о чем идет речь в книжке?

О радиолокации. Но при чем она в этой главе? Пока что о ней не сказано ни слова! Ни слова? Это только с первого взгляда! На самом деле мы только и делали, что говорили о радиолокации. Повторим же, уважаемый собеседник, маршрут поездки Виктора. Но теперь я каждый раз буду показывать Вам, где спряталась очередная радиолокационная станция.

Итак, опаздывающего Виктора выручило такси, из которого вышел «пожилой человек в темных очках с толстой тростью красного дерева». Загибайте один палец! Этот пожилой человек, к сожалению, практически полностью потерял зрение, и трость в его руках не что иное, как радиолокационная станция-поводырь. Определяя дальность до окружающих предметов, она помогает людям, потерявшим зрение, ориентироваться в окружающей их обстановке. Благородная миссия, не правда ли?

Весит такой радиоповодырь всего 1,5–2 килограмма и работает весьма надежно. Но и это не предел! В Новой Зеландии живет мистер Спивак — первый слепой, носящий… радиолокационные очки. Три миниатюрных радиолокатора, вмонтированные в оправу очков, звуковым сигналом предупреждают его о всех препятствиях, встречающихся на пути.

Поехали дальше. Помните: водителя оштрафовали за превышение скорости? Загибайте второй палец. Заметили антенну на крыше милицейской «Волги»? Это и есть помощник ОРУДа в борьбе с нарушителями правил уличного движения — портативная радиолокационная станция, определяющая скорость движения автомобилей. Трепещите, нарушители, скоро все машины ОРУДа будут оборудованы такими радиолокаторами. На автострадах, ведущих к столице, появились транспаранты с обращением к водителям: «Внимание! Движение контролируется вертолетами и радарами». Сотрудники ГАИ получили самые современные средства наблюдения за порядком на дорогах и для предотвращения транспортных происшествий.

С одного из подмосковных аэродромов поднимается вертолет КА-26, окрашенный в ярко-желтый цвет и имеющий на борту хорошо заметную надпись «ГАИ». В кабине рядом с пилотом дежурный инспектор отделения вертолетного патрулирования. КА-26 оснащен фото- и кинокамерами, мощными акустическими устройствами и динамиками, укрепленными под фюзеляжем. Специальный радиопередатчик позволяет поддерживать непрерывную связь с автомашинами «Волга», ГАЗ-24, следующими в том же направлении, что и вертолет. Эти автомобили оборудованы радарными приборами, с высокой точностью измеряющими скорость движения транспорта по шоссе. Инспекторы ГАИ продемонстрировали радар в действии: едва «нарушитель» превысил установленную скорость, радиолокатор отметил это на своей шкале, а кроме того, запищал зуммер и вспыхнула сигнальная лампочка.

Воздушное патрулирование дорог осуществляется на высоте нескольких десятков метров. Если на дороге случится происшествие, вертолет тут же вызовет ближайший наземный патруль, а при экстренной необходимости сам совершит посадку рядом с потерпевшей аварию машиной, возьмет на борт пострадавших и доставит их в больницу[12].

Радиолокация помогает ОРУДу не только следить за соблюдением правил уличного движения, но и облегчает управление автомобилем при плохой погоде. На выставке научно-исследовательского центра фирмы Филипс недавно демонстрировали модель микроволнового радиолокатора, который устанавливается на автомашинах. Какие бы каверзы ни приготовила погода: дождь, туман или снег — на экране перед водителем четко видно изображение дороги со всеми движущимися и неподвижными предметами на расстоянии до 60 метров. Водитель может уверенно вести машину, почти не снижая скорости.

Для утомленных, невнимательных или просто неумелых водителей полезно установить в автомашине и другую новинку радиолокационной техники — радиолокационную станцию, управляющую тормозным устройством автомобиля. Одна из американских фирм приступила к широкой продаже таких устройств, имеющих два режима работы. Первый режим — загородный. Радиолокационная станция начинает притормаживать автомобиль в случае приближения к какой-либо преграде ближе чем на 50 метров. При любой скорости движения система остановит автомобиль не ближе чем за 2–3 метра до препятствия. Второй режим — городской. При работе в таком режиме система рассчитана на движение со скоростью не более 40 километров в час. Торможение начинается с расстояния 9—12 метров, полная остановка в 2–3 метрах от преграды. Специалисты считают, что такое устройство будет пользоваться большим спросом автомобилистов.

Готовьте третий палец — приближаемся к туннелю. Вы не видите радиолокатора, а он Вас видит. Управление движением автомашин в этом туннеле осуществляет радиолокационная система. Не верите? Вот реальный пример! В середине 1966 года близ Амстердама был открыт для автомобильного движения подводный туннель, длина которого больше 1,3 километра. По широкому шоссейному полотну туннеля в обоих направлениях в несколько рядов непрерывно движется плотный поток машин. За сутки через туннель в каждом направлении проходит около 20 тысяч автомобилей. При таком интенсивном движении и на открытых дорогах часто ставят регулировщика, а уж в туннеле, где почти невозможно маневрировать, система управления движением просто необходима. Вам уже ясно, кто взялся выполнить эту трудную задачу? Правильно, радиолокация.

Вдоль обеих обочин дорожного полотна в туннеле установлено по 30 радиолокационных датчиков. Когда машина, идущая в первом ряду, проходит мимо такого датчика, в его приемник попадает отраженный импульс, который передается в диспетчерский пункт. Машины второго, третьего и последующих рядов не регистрируются датчиком, так как они экранируются автомашинами первого, ближайшего к датчикам ряда. Казалось бы, что система не может управлять движением, если она «видит» только машины первого ряда. Но это не так. Если датчики регистрируют не только проезд каждой автомашины, но и определяют ее скорость, то можно эффективно управлять движением. В роли регулировщика выступает вычислительная машина, к которой поступают сигнальные импульсы от датчиков.

При нормальной обстановке все машины движутся более или менее равномерно с установленной скоростью, скажем 60 километров в час, и вмешательства вычислительной машины не требуется. Но вот на каком-то участке туннеля скорость машин падает почти до нуля. Внимание! Где-то впереди затор! Нужно срочно принять меры, переключить светофоры и вызвать техническую помощь. Если происшествие случилось в первом ряду, то автомашины могут не снижать скорости, а перестроиться на ходу в соседний ряд. Неужели ЭВМ-регулировщик не заметит аварии? Нет, этого не случится. Каждая из входящих в туннель машин последовательно отмечается всеми датчиками, мимо которых она прошла. Если машина перестраивается во второй ряд, то импульсы от нее поступать больше не будут. В памяти ЭВМ строится как бы траектория движения всех машин первого ряда, и если вдруг отметка от нескольких последовательно идущих автомашин после прохождения ими какого-то датчика пропадает, значит впереди авария. ЭВМ подает сигнал тревоги и показывает на экране специальной телевизионной системы место аварии. Радиолокационная система еще и считает количество прошедших автомашин. А так как проезд по такому туннелю стоит недешево, то вылавливание «зайцев» и подсчет прибыли — тоже важное дело.

Пока мы говорили о туннеле, машина подошла к аэропорту. Вот уж где поистине царство радиолокации! Считайте сами:

1) метеорологическая РЛС.

2) станция кругового обзора.

3) станция управления воздушным движением.

4) радиолокационная система посадки.

Теперь посмотрим, что установлено на самом самолете, который принял на борт Виктора:

1) радиолокатор кругового обзора.

2) оборудование для слепой посадки на взлетно-посадочную полосу. В его состав входят обычно две-три различные радиолокационные установки (радиолокационный высотомер, допплеровская РЛС, определяющая скорость самолета относительно посадочной полосы и т. д.)

3) система предотвращения столкновений в воздухе. Она определяет координаты и скорость объектов, представляющих опасность для самолета. Бортовая вычислительная машина строит по этим данным траекторию движения встречного самолета и так прокладывает безопасный курс движения воздушного корабля.

Обо всех станциях мы уже рассказывали. Здесь, пожалуй, следует, упомянуть еще об одной довольно необычной станции. Используя эффект Допплера, она определяет вертикальную составляющую скорости самолета в самый последний момент перед касанием взлетно-посадочной полосы. По этим данным несложное вычислительное устройство, также установленное на борту самолета, определяет силу удара самолета о поверхность земли. От посадки к посадке прибор накапливает информацию о всех ударах, которые выдержало многострадальное шасси, и определяет, когда оно начнет «уставать». После этого эксплуатировать данное шасси уже нельзя, его надо заменять, иначе в любой момент оно может сломаться. Вот Вам еще один страж безопасности полета. На этом простимся с авиационными радиолокаторами. Перейдем к морским. На берегу расположены:

1) метеорологическая радиолокационная станция.

2) станция контроля движения судов в акватории порта.

3) радиолокационная система проводки судов вблизи побережья.

На самом судне установлены:

1) радиолокатор кругового обзора (это он помогает судну уверенно двигаться в тумане и ночью).

2) радиолокационные системы швартовки и предупреждения столкновений и еще одна-две станции, характер которых зависит от специализации судна.

Поменьше, конечно, чем на боевом корабле, но тоже не мало.

Добрались до дома отдыха. Неужели и здесь есть радиолокационные станции? Так можно заболеть радиолокационным вариантом мании преследования. И все-таки будет еще одна станция. Помните здания фантастической архитектуры. Это и есть последняя в нашем путешествии встреча с радиолокацией. Неизвестный научно-исследовательский институт — станция дальнего обнаружения и слежения за ракетами, спутниками и другими космическими объектами. Теперь все. Сколько же станций Вы насчитали?

Если Вам кажется, что автор сгустил краски, то Вы не совсем правы. На сегодняшний день положение таково, что в этом не было необходимости. Хотите еще несколько подтверждений? Пожалуйста! Обратимся к газетам. Возьмем любой номер «Известий», скажем за 19 декабря 1969 года. Смотрим внимательно. Первая страница — ничего о радиолокации, вторая, третья — тоже ни слова, но вот на четвертой — интервью с министром гражданской авиации Е. Ф. Логиновым. Читаем: «…советские ученые, конструкторы, инженеры приступили к практическому решению сложной проблемы автоматического захода на посадку и приземления в неблагоприятных условиях погоды. Тем самым значительно сократятся случаи нарушения расписания и отмены рейсов». Вот вам и радиолокация. Ясно, что без нее здесь не обойтись. Но это еще не все. Внизу на той же странице короткая корреспонденция, приведем ее полностью.

«Танкер „Братислава“ Новороссийского морского пароходства шел по Атлантике, когда на экране радара (иногда используемый термин, означает „радиолокационная станция“) появилось изображение непонятного препятствия. Вахтенные сообщили о приближении темного шара. Моряки терялись в догадках — что это? На судне объявили тревогу, сбавили ход, задраили иллюминаторы. Через несколько минут произошло столкновение с огромной тучей черных жуков. Они буквально засыпали палубу и надстройки, покрыв их толстым шевелящимся слоем. Неприятные насекомые проникли во все укромные места, забились в щели. Экипажу потребовался целый день, чтобы выбросить за борт непрошеных гостей. Объявленная тревога оказалась не лишней».

Вот видите, задраили иллюминаторы, закрыли все щели и то целый день доблестно сражались с жуками. И если бы не радиолокатор, отразить нашествие было бы значительно труднее. А если взять любую газету перед Днем Советской Армии и Военно-Морского Флота, Днем ракетных войск, Днем радио, Днем авиации, Днем пограничника и целым рядом других Дней, то вы уж наверняка найдете несколько заметок о радиолокации. Думаю, что приведенных примеров вполне достаточно, чтобы любой сколь угодно недоверчивый читатель, уяснил себе, что он живет в мире, который уже сейчас насыщен радиолокационными станциями. Так что, видимо, имеет смысл познакомиться с радиолокацией поближе. Что она может делать, мы уже знаем. Но вот как она это делает, пока неизвестно.

Часть вторая

КАК ОНА РАБОТАЕТ

С кем бы познакомиться поближе

Итак, в общих чертах мы уже познакомились с радиолокацией. Рассмотрели целый ряд различных станций, каждая из которых добросовестно выполняет порученные ей обязанности. Но наши знания пока несколько односторонни, не правда ли? Мы знаем, что может каждая станция, но не знаем пока, как она это делает. Постараемся восполнить этот пробел.

Какую бы станцию рассмотреть? Может быть, все станции, о которых мы рассказали в первой части книжки? Но, как говорят авторитеты, «нельзя объять необъятное». В научно-технической книге в таких случаях пишут: «К сожалению, небольшой объем не позволяет нам подробнее остановиться на этой интересной проблеме».

Так что не будем ставить перед собой непосильных задач и выберем путь попроще. Посмотрим, как работает одна станция. При этом мы познакомимся и с общими принципами работы радиолокационных систем и с особенностями работы именно этой, избранной нами станции. Да, но как выбрать образцовый объект?

Для решения этой важной проблемы можно предложить несколько методов.

Метод первый: теоретико-вероятностный. Выписываем названия всех станций на маленьких билетиках, свертываем их в трубочку и складываем в шапку. Потом просим незаинтересованное лицо, например милую толстушку соседку-второклассницу Олю, вытащить какой-нибудь билетик. Так и определится станция, о которой нужно рассказать. Преимущество этого метода — полная объективность выбора. Но слепой жребий может выбрать нетипичную или устаревшую станцию. О некоторых специфических типах станций автор, к сожалению, не сможет рассказать так подробно, как это сделают специалисты в данной области. При этом, конечно, проиграет и читатель, и сам автор.

Метод второй: социологический. Предполагаемым читателям рассылается анкета, где перечислены станции, о которых автор может рассказать нечто вразумительное. По большинству поданных голосов и выбирается героиня рассказа. Сам по себе метод неплох. Но здесь автора испугал объем предстоящей работы, связанной с размножением и рассылкой анкет, сбором ответов и обработкой результатов на вычислительной машине (какой же уважающий себя социолог теперь обрабатывает результаты вручную?). Кроме того, просто жаль времени, которое нужно потратить на все эти операции.

Метод третий: волевой. Читатель полностью лишен возможности влиять на выбор станции. Делает это автор, руководствуясь своими привязанностями и имеющимся у него объемом информации о различных типах станций. При этом он торжественно обязуется в меру сил принимать во внимание и интересы читателей. Тем, кого все же не устраивает выбор автора, мы, видимо, ничем помочь не сможем. Правда, в сносках указано довольно много книг и статей по радиолокации, в которых можно найти описания станций других типов, и любознательным читателям мы рекомендуем покопаться в этой литературе самостоятельно.

Итак, выбор сделан. Мы выбрали современную, мощную радиолокационную станцию обнаружения и сопровождения космических объектов: спутников, пилотируемых и автоматических космических кораблей, баллистических ракет. Сначала несколько слов о том, как выглядит наша знакомая. Представьте себе одну из трибун стадиона, например, трибуну плавательного бассейна в Лужниках. Примерно такую же форму имеет здание, в котором размещается наша станция. Правда, это здание все-таки поменьше трибуны. Та плоскость, где на трибуне расставлены скамьи для зрителей, в радиолокационной станции занята приемной и передающей антеннами. Само помещение разделено на залы и лаборатории, в которых и размещается оборудование радиолокационной станции.

Предположим, что мы сдали весьма строгие экзамены по технике безопасности и получили разрешение провести экскурсию по всем этажам здания. Да, еще нужно выбрать время, когда станция не работает, так как во время работы даже специалистам, обслуживающим станцию, в некоторые помещения заходить запрещается. Обычно это залы, где работают мощные энергетические установки, от близкого знакомства с которыми удерживает известный всем плакат с молнией и некоторыми экспонатами анатомических музеев. Нельзя мешать и операторам центрального пульта, где собраны контрольные приборы и индикаторы. Работа операторов требует максимальной собранности и сосредоточенности, так что не стоит их отвлекать.

Но вот экскурсия началась. Проходим зал за залом и в каждом видим примерно одно и то же: вдоль стен длинные ряды железных шкафов (специалисты называют их стойками). Кое-где шкафы открыты — пока станция не работает, инженеры и техники проводят профилактику, заменяют сомнительные узлы и детали. Если заглянуть внутрь стойки, то можно увидеть переплетение разноцветных проводов, толстые кабели в пластиковой или металлической оболочке, тысячи ламп, транзисторов и много других приборов, вобравших в себя последние достижения электроники, оптики, механики, в общем, всех отраслей современной науки.

А вот и центральный пульт. Сейчас здесь пусто. Тускло отсвечивают равнодушные и пустые экраны индикаторов, неподвижны стрелки сотен контрольных приборов, зачехлен микрофон внутренней связи.

Но как только станция включится в работу, за пульт сядут люди, управляющие станцией, засветятся синеватые или зеленоватые экраны индикаторов, размеренно заскользит по ним яркий луч развертки, отмечая цели всплеском светового пятна. Включаются кинокамеры и магнитофоны, записывающие весь ход работы. Потом в спокойной обстановке специалисты оценят по данным, зафиксированным на магнитных лентах и кинопленке, как работала станция. Выполнить такую оценку в ходе работы и обработать сигнал от цели может только быстродействующая вычислительная машина. Она и размещается в тех залах, куда мы попадаем, выйдя из помещения центрального пульта. Ни одна современная радиолокационная станция уже не может обойтись без вычислительной машины и зачастую качество работы станции в значительной мере определяется объемом памяти машины и скоростью, с которой она выполняет вычисления.

Идем дальше, приоткрываем дверь в большой зал, где стоят внушительные на вид устройства. Специалист-электротехник без труда узнает трансформаторы, выпрямители и другие приборы, снабжающие нашу станцию электроэнергией. Еще бы им не быть внушительными! Ведь радиолокационная станция потребляет во время работы столько электроэнергии, сколько ее нужно небольшому городу. И хотя сейчас приборы не работают на полную мощность, негромкий, басовитый их гул и вся обстановка невольно внушают почтение и мы осторожно закрываем дверь.

Закон природы гласит, что скорость движения экскурсантов всегда возрастает по мере продвижения к концу экспозиции. Поэтому мы ускоренным шагом (бегом неприлично) проходим по залу, где стоят системы, охлаждающие радиоэлектронную аппаратуру во время работы, и другие вспомогательные устройства.

Ну вот, кажется, и все. Разобрались в своих впечатлениях? Как вам понравилась выбранная автором станция? Если понравилась, то читайте дальше, будем разбираться, как она работает. Но прежде всего ответим на вопрос…

Как оценивают знакомую?

Скажем сразу, что автор считает читателя серьезным молодым человеком, склонным к анализу своих действий. Будем считать априори, что это не идеалист, который может влюбиться, что называется по уши, но не может объяснить заинтересованной публике, за что же он любит свою избранницу. Интересно, как этот серьезный молодой человек выбирает из круга знакомых девушек ту, общению с которой он намерен посвятить все свое свободное от работы время. Мне кажется, что ответ может выглядеть примерно так.

Во время знакомства я оцениваю в девушке некоторый небольшой набор качеств, или, выражаясь техническим языком, параметров. Ну, скажем, цвет волос и глаз, изящество манер, размер обуви, свойства характера самой девушки и будущей тещи, степень взаимности, проявляемая девушкой, время, затрачиваемое на проводы после очередного свидания, число пересадок… Кажется, все[13]. Некоторые из перечисленных параметров, такие как свойства характера или рост, для меня существенны (не всем юношам нравятся девушки выше их ростом), другие могут и не играть важной роли, например размер обуви.

Некоторые параметры невозможно полностью оценить за время знакомства (характер девушки и тещи), другие можно. Если воспользоваться методом, предложенным Я. И. Хургиным в книге «Ну и что?», то надо составить табличку, где каждая кандидатура оценивается по всем качествам, скажем, по пятибалльной системе, подсчитать сумму баллов и выбрать ту, чья суммарная оценка выше.

Итак, серьезный молодой человек умеет (или думает, что умеет) оценивать качества своей знакомой и по ним судить, насколько она близка к его идеалу. Мы находимся в худшем положении. Ведь пока нам неизвестно, как оценивать радиолокационную станцию. По числу этажей здания, где она размещается, или по общему весу ее оборудования? Даже не посвященному в таинства радиолокации ясно, что такие оценки ни к чему хорошему не приведут. Пока что более сложная и более мощная станция, конечно, крупнее, но с развитием методов миниатюризации[14] и разработкой новых элементов схем станции следующих поколений, становясь совершеннее, будут иметь меньшие габариты. Значит, надо разобраться детальнее.

Вводим новое действующее лицо — заказчика. Хотя с точки зрения всеобщего прогресса он персонаж положительный, так как, тормоша специалистов, он вынуждает их развивать и совершенствовать станции, все же общение с ним не всегда приятно. Ведь он все время чего-то требует, а это не самое приятное свойство человека, не правда ли?

Заказчик нашей станции требует, чтобы ему построили станцию с большой дальностью действия, с высокой точностью определения местоположения целей, с хорошей разрешающей способностью и высоким темпом обзора. Ничего себе списочек для одной станции! Но постойте-ка, тут сразу четыре абсолютно непонятных термина! Поясним.

Первое требование означает, что нам необходимо обнаруживать достаточно маленькие цели на возможно больших расстояниях.

Но чем больше расстояние, тем больше сил затрачивает сигнал на преодоление пути и тем слабее возвратившийся отраженный сигнал. Здесь мы имеем полную аналогию с ситуацией, изображенной на рисунке. Со старта марафонского забега отправляется в путь группа полных сил бегунов, а достигают финиша (в нашем случае приемника радиолокационной станции) лишь немногие изнуренные спортсмены (для нас сигналы).

Поэтому для каждой станции существует такое расстояние, что от целей, находящихся на большем удалении, отраженный сигнал заметить, а тем более измерить, не удается. Это расстояние и называют дальностью действия.

Увеличить дальность действия можно за счет повышения энергии сигнала.

Выбранная нами станция излучает сигналы в виде отдельных импульсов того или иного вида. В этом случае дальность действия определяется энергией отдельного импульса А эта энергия зависит от длительности импульса и его средней мощности. Не вдаваясь в детали, скажем, что беспредельно увеличивать мощность нельзя, — это очевидно из простых физических соображений. Если мы используем предельно возможную мощность, а заданная дальность действия еще не достигнута, то энергию сигнала придется увеличить, уменьшив его длительность.

Так поступают не только в радиолокации. Например, одно время строили только пятиэтажные дома, длинные-длинные, порой занимающие целый квартал. Естественно, что число квартир в одном доме при этом могло быть как угодно большим. Итак, казалось бы, за счет использования максимально доступной мощности и большой длительности можно получить сколь угодно большую дальность действия станции. Но… В технике всегда есть место для «но». В этот раз «но» связано со вторым и третьим требованиями заказчика (высокая точность определения местоположения цели и хорошая разрешающая способность). Чтобы понять, в чем заключается противоречие между этими требованиями, рассмотрим в самом простом виде, как в радиолокационной станции определяют местоположение цели.

Где же она?

Точка, в которой находится в данный момент цель, в нашей станции определяется дальностью до цели и двумя углами — углом места и азимутом. Азимут — угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от направления на север (термин заимствован, вероятно, у путешественников и туристов). Угол места — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтальной плоскости (термин, по-видимому, придумали специально для радиолокации). Угол места и азимут (точнее, пересечение плоскостей, которые они определяют) дают нам прямую линию, на которой расположена цель, а дальность указывает, где именно на этой прямой находится цель. Значит, точно измерить угловые координаты и дальность.

Начнем с измерения дальности.

Станция включилась в работу. Сигнал срывается с передающей антенны и со скоростью света устремляется к цели. Одновременно на экране индикатора световой луч развертки начинает свой путь из точки, которая обозначает место расположения станции. Система развертки устроена таким образом, что при отсутствии цели луч будет все время прочерчивать на экране светящуюся горизонтальную линию (но будем все-таки считать, что цель есть). Вот сигнал достиг цели, отразился от нее и, вернувшись к станции, попал на огромное полотнище приемной антенны. И в этот момент луч сделает на экране засечку — цель обнаружена. То же происходит и со всеми последующими сигналами. Если цель приблизится к станции, то сигнал совершит свое путешествие к ней и обратно быстрее, а значит и луч развертки раньше засветит отметку от цели. Так как скорость, с которой путешествует сигнал, постоянна, то время, прошедшее с момента излучения сигнала до его приема, пропорционально удвоенному расстоянию до цели. Поэтому, выбрав подходящий коэффициент пропорциональности, мы можем измерить расстояние на индикаторе, которое успел пробежать луч развертки за это время, непосредственно в километрах или милях. Так мы получаем шкалу дальности на экране индикатора. Теперь нам достаточно заметить цифру, у которой возникает отметка от цели, чтобы сказать, на какой дальности она находится. Но как точно мы можем измерить это расстояние? Чем больше делений на нашей шкале дальности, тем точнее можно произвести отсчет.

Попробуйте измерить длину подмосковного окунишки рулеткой, на которой деления расположены через 25 сантиметров. По-моему, довольно трудно. Значительно легче сделать это, имея под рукой линейку с миллиметровыми делениями. Шкала индикатора в нашем распоряжении, и казалось бы, что точность может быть как угодно высокой. Не тут-то было. Представим себе обычную жизненную ситуацию. Вы приходите на стадион минут за двадцать до начала футбольного матча. Кое-где уже сидят зрители. Вы подходите к своему ряду и не можете найти своего законного места, скажем № 216. Вы видите место № 214, далее восседает мужчина, несколько похожий на Тартарена из Тараскона, а за ним на скамейке виден № 218. Учитывая стремление дирекции стадиона разместить на трибунах как можно больше зрителей и внушительные габариты ранее пришедшего болельщика, Вы с грустью вынуждены констатировать, что сидеть вам придется на ступеньках лестницы. По-моему, сейчас самое подходящее время решить задачу, на каком же месте сидит болельщик.

Теперь Вам должно быть понятно состояние оператора, определяющего дальность до цели, отметка от которой перекрывает сразу несколько делений шкалы.

Поскольку ширина отметки прямо пропорциональна длительности сигнала, то нетрудно понять, что для повышения точности отсчета и станции необходимо использовать более короткие сигналы и тогда отметка от цели станет уже и не перекроет соседних делений. Применение коротких сигналов позволит нам выполнить и третье требование заказчика— обеспечить высокую разрешающую способность станции по дальности. Если две цели расположены таким образом, что отметки от них перекрываются и образуют одну суммарную отметку, то специалисты говорят, что цели не разрешены. Если это не совсем понятно, то посмотрите на рисунок. Представьте себе, что Вы смотрите на футболистов сверху. В ситуации, показанной слева на рисунке, Вы увидите отдельно каждого из футболистов и мяч. Это и означает, что вы «разрешаете» данные цели. А в ситуации, изображенной справа, задача потруднее. Тут не всегда даже можно сказать, сколько Вы видите футболистов, а где находится мяч и вовсе не понятно (не забывайте, что Вы смотрите сверху!). Вы видите лишь группу футболистов.

В этом случае Вы цели «не разрешаете» — они слились для Вас в одну. Теперь понятно, что такое разрешение?

Будем укорачивать сигналы, то есть сужать отметки от них на экране индикатора. Когда ширина отметок станет меньше расстояния между ними, произойдет разрешение целей и каждая из них будет наблюдаться отдельно. Естественно, что заказчик заинтересован в получении станции, которая бы правильно определяла бы и положение, и число целей. Значит, да здравствуют короткие сигналы? Но ведь раньше мы убедились, что нам нужны длинные сигналы. Опять конфликт. Обещаем справиться и с ним. А пока поверьте на слово, что специалисты сумели сделать это. Объяснение запишем себе в долг.

А как определить угол места и азимут цели? Эту миссию выполняет антенна станции, которая обладает направленностью. Что это значит? Антенна принимает только сигналы, приходящие из узкого пространственного конуса. Функция, с помощью которой математики сумели описать это свойство — возможность селектировать цели по угловым координатам, — называется диаграммой направленности антенны. На сигналы от целей, находящихся вне диаграммы направленности, антенна по существу не реагирует. Зная угловые координаты этого конуса, мы тем самым определяем и угловые координаты цели. Если в конус попадают две или три цели, то все они будут иметь одни и те же угловые координаты, то есть, как говорят специалисты, они не разрешены по углам. Значит, нужно уменьшить угловые размеры конуса, иначе говоря, сужать диаграмму направленности. Когда она сузится настолько, что при любом положении в нее будет попадать единственная цель, мы сможем торжественно сообщить заказчику, что добились полного разрешения целей по угловым координатам. Но такая ситуация принципиально невозможна. Во-первых, диаграмма направленности не может быть бесконечно узкой (как будет показано ниже, для этого потребуется бесконечно большая антенна). Ну и кроме того, несколько целей могут оказаться на одном и том же направлении, но на разных дальностях. Тогда мы, может быть, сумеем разрешить их по дальности, но никогда не сможем разрешить их по угловым координатам.

В реальной жизни, однако, никогда не требуют «бесконечно хороших» показателей. Требуют просто хороших. Это значит, что нужно разрешать цели, которые достаточно близко расположены. Что значит «достаточно близко»? А это уже зависит от конкретной задачи. Иногда специалистов удовлетворяют станции, которые разрешают цели с угловыми координатами, отличающимися на минуты или даже градусы, а в некоторых случаях требования к угловой разрешающей способности будут определяться секундами.

При узкой диаграмме направленности угловые координаты каждой цели можно определить точнее. Ведь число возможных неперекрывающихся положений в пространстве у узкого конуса больше, чем у широкого. А это равносильно выбору шкалы отсчета с большим количеством делений. Значит, нужно сужать диаграмму. Как это сделать?

Специалистам хорошо известно, что ширина диаграммы направленности определяется в основном размерами антенны. Чем больше антенна, тем уже ее диаграмма направленности, тем лучше она измеряет угловые координаты целей и разрешает цели по углам. Конечно, длина волны станции при увеличении антенны должна оставаться постоянной. Следовательно, нашему заказчику нужна станция с очень большой антенной. В общем-то, если не считать чисто технических ограничений, ничто не мешает построить радиолокационную станцию с антенной любой величины. Правда, если длина антенны будет измеряться несколькими километрами или десятками километров, то придется учитывать такие факторы, как кривизна Земли, различие температур воздуха на краях антенны и т. д. Но до этого, кажется, дело еще не дошло.

Если бы наша станция была живым человеком, то можно было бы предложить и другой способ. Ширина диаграммы направленности для человека, то есть угол, в котором он может видеть окружающие объекты, не поворачивая головы, в нормальном состоянии равна 140–150 градусам. Если же человек (мужчина, конечно) выпьет сто граммов водки или эквивалентное количество алкогольного напитка любого сорта, то его диаграмма направленности, по официальным данным ГАИ, сузится до 40 градусов. Вот и готовый рецепт сужения диаграммы направленности.

Но мы, кажется, несколько отвлеклись от темы. Извините. Вспомним — речь шла о наблюдении цели только в узком пространственном конусе. А где гарантия, что цели когда-нибудь попадут в него? Нет такой гарантии. Поэтому станция не ждет, пока цели попадут в ее диаграмму направленности, а сама активно ищет их.

Первые образцы радиолокационных станций были смонтированы в автофургонах, причем антенна неподвижно крепилась к крыше фургона. Для поиска целей в пространстве поворачивался весь фургон вместе с антенной и оператором относительно вертикальной оси. Шасси все-таки оставалось неподвижным. При этом пространство просматривалось на все 360 градусов и цели обнаруживались на любом направлении. Чем быстрее вращался фургон, тем чаще пробегал луч по каждому участку неба и тем труднее было цели проскользнуть незамеченной.

Число оборотов станции в минуту или в секунду называют темпом обзора пространства.

Пока самолеты летали со сравнительно малыми скоростями, их надежно обнаруживали и при небольшом темпе обзора. Но самолеты стали летать быстрее. Пока станция разворачивается, они могли пролететь огромное расстояние и незаметно приблизиться к охраняемому объекту. Нужно увеличить темп обзора. Но если вращать фургон быстрее, то ощущение сидящего в нем оператора можно, по-видимому, сравнить только с ощущениями космонавтов, проходящих проверку на центрифуге. Какая уж тут работа, хотя бы сознания не потерять. Поэтому в последующих вариантах станций кабина операторов и все оборудование остается неподвижным, а вращается лишь антенна.

Скорость самолетов увеличилась, появились спутники и ракеты — небольшие цели, двигающиеся с огромными скоростями.

Входят в строй радиолокационные станции с антеннами в несколько десятков метров длиной. Такую антенну не повернешь. И поэтому вместо механического перемещения антенны стали использовать электронное управление диаграммой направленности неподвижной антенны.

Для пояснения принципа такого электронного управления придется снова обратиться к примеру из спортивной жизни. Иначе понять его будет довольно трудно.

Приглашаю Вас в плавательный бассейн. Восемь пловцов, абсолютно равных по силам, должны доплыть до финишной стенки, вылезти из воды и собраться вместе. Встанем у финишной стенки и понаблюдаем. Пловцы, поскольку их силы равны, плывут прямо на нас ровной линией. Направление их движения перпендикулярно финишной стенке. Они одновременно достигнут бортика, вылезут из воды, и в этот момент мы сразу увидим группу из восьми человек. А теперь усложним ситуацию. Предположим (хотя в жизни так и не бывает), что бассейн имеет несколько необычную форму. Стартовая стенка его перпендикулярна боковым, а финишная сильно скошена, так что бассейн имеет не прямоугольную, а трапециевидную форму. Снова пригласим пловцов на старт, а сами снова встанем у финишной стенки. Теперь пловцы двигаются на нас как бы сбоку и линия их движения не перпендикулярна финишной стенке. Вот пловец на самой короткой дорожке уже вылез из бассейна, а остальные еще плывут. Если бассейн таков, что разница во времени между пловцами на соседних дорожках составляет одну секунду, то первый пловец будет ждать на бортике последнего пловца семь секунд, второй — шесть и так далее. И только когда последний пловец появится на бортике, мы сможем собрать их всех вместе.

А теперь снова вернемся к антеннам. Разобьем большую антенну на отдельные элементы, которые, по существу, представляют собой небольшие самостоятельные антенны. Если радиосигналы приходят с направления, перпендикулярного антенне, то они поступают на все элементы одновременно (бассейн правильной формы). Такие сигналы можно складывать и подавать на последующие каскады приемника. Если же сигналы приходят с других направлений, то они достигают элементов антенны неодновременно. Для того чтобы их можно было сложить, надо задержать ранее пришедшие сигналы до момента поступления сигнала с последнего элемента антенны (трапециевидный бассейн). Эту задержку выполняют специальные электронные устройства, называемые линиями задержки. Таким образом, для каждого элемента антенны необходима своя линия задержки. Чем сильнее отличается направление, откуда приходит радиоволна, от перпендикуляра к антенне, тем больше задержка сигналов, поступающих на соседние элементы антенны. Изменяя значение времени задержки, мы изменяем направление, в котором «смотрит» антенна. Сигналы, приходящие с этого направления, после антенны будут суммироваться, а сигналы с других направлений суммироваться не будут, так как для них значения задержек не соответствуют разности времени появления сигналов на отдельных элементах.

Наконец, последний вопрос, который может возникнут Зачем нужно складывать сигналы от отдельных элементов антенны? Во-первых, именно сложение сигналов с разными задержками и обеспечивает направленность и возможность изменять направление наблюдения. А во-вторых, суммарный сигнал становится мощнее и его легче принимать и обрабатывать.

Пока что мы говорили о приемной антенне, но точно по такому же принципу работает и передающая антенна с электронным управлением диаграммой направленности. Установив то или иное значение задержки для отдельных излучающих элементов, мы тем самым посылаем суммарный сигнал всей сложной системы в заданном направлении. Сложная электронная система по заранее выбранному закону изменяет задержки во всех элементах системы, и луч радиолокатора обшаривает пространство в поисках цели. Вот как работает неподвижная антенна с электронным управлением диаграммой направленности.

Хотя с помощью одной антенны нельзя осуществить круговой обзор, все же большой сектор пространства находится под непрерывным наблюдением. Если нужен круговой обзор, то придется строить несколько станций, направленных в разные стороны. Темп обзора в этом случае зависит от того, сколько раз в секунду станция может просмотреть свой сектор. Заказчик хочет, чтобы темп обзора был высоким? Ну что же, если выделены соответствующие средства и приложены соответствующие усилия, то в большинстве случаев это требование удовлетворить удается.

Подведем некоторые итоги. Мы знаем, как можно выполнить примерно половину требований заказчика. Но за нами остался долг — неразрешенный конфликт между остальными требованиями. Для выхода из любой конфликтной ситуации всегда можно найти компромиссное решение. Об этом и пойдет речь в следующей главе, в которой мы узнаем…

Как это у нее получается? I

Чтобы не испытывать терпения читателя, ответим сразу, хотя, может быть, и не совсем понятно. За счет выбора подходящего сигнала и его обработки на приеме с помощью согласованного фильтра. А теперь попробуем разобраться.

Задолго до того, как радиоинженеры превратят бумажные схемы в сложные электронные блоки, а строители возведут конструкции из стали и бетона, специалисты из теоретических отделов начинают ломать головы и копья (то бишь авторучки марки «Союз») в спорах о том, каков должен быть сигнал будущей станции. И действительно, задача не из легких. Напомним требования к сигналу.

Сигнал[15] должен иметь большую энергию. При ограниченной мгновенной мощности это означает, что у него должна быть большая длительность. А для высокой точности определения координат и разрешающей способности хотелось бы иметь как можно более короткий сигнал. И это еще не все. Заказчику нужно, чтобы слабый отраженный сигнал можно было принять и обработать на фоне достаточно сильных помех. Задача осложняется еще и многообразием различного вида помех. Тут и естественные помехи от грозовых разрядов, и собственный шум приемника, и помехи от работающих рядом электроустройств, и целый ряд других шумов. А если станция будет работать в боевой обстановке, то возможно появление преднамеренно создаваемых противником искусственных помех. И вот среди этого разноголосого хора помех нужно услышать тоненький и слабенький голосок отраженного сигнала.

Скажем по секрету, что и это еще не последнее требование заказчика. Но для нас хватит и уже перечисленных. И так задача, стоящая перед теоретиками, достаточно сложная.

К тому же радиоинженеры, которым предстоит разрабатывать и создавать аппаратуру, требуют, чтобы теоретики не отрывались от грешной земли. Их блестящие идеи должны быть осуществимы при сегодняшнем уровне техники. Кроме того, реализация предложений теоретиков не должна обходиться слишком дорого. Больше всего разработчиков устроил бы такой проект новой станции, в котором все новые устройства и схемы можно было бы собрать из уже имеющихся, отработанных в производстве элементов. Это и удобно и выгодно, так как станция будет готова раньше и работать она будет надежнее. Но иногда старыми схемами и элементами не обойдешься. Поэтому для реализации какого-нибудь оригинального решения приходится разрабатывать принципиально новые схемы. И снова встречаемся с противоречием на этот раз между интересами теоретиков и производственников. Как всегда, находится компромиссное решение. В чем-то уступают теоретики, на что-то скрепя сердце соглашаются разработчики и производственники.

Надо сказать, что в последнее время в таких спорах чаще побеждают теоретики. Можно понять почему. В первые годы развитие радиолокации шло в основном за счет улучшения технических характеристик радиолокационных станций. Повышалась мощность передатчиков, увеличивались антенны, осваивались новые диапазоны волн. Все это, конечно, улучшало качество радиолокационных станций. Но в какой-то момент стало ясно, что разработчики выжали из техники все, что можно, точнее, почти все, что можно. А требования непрерывно растут. И вот тут-то на первый план вышли теоретики. Их исследования показали, что только за счет использования сигналов подходящего вида и новых методов их обработки можно существенно улучшить характеристики радиолокационных станций. Это был крупный качественный скачок в теории и практике радиолокации. Он произошел в годы второй мировой войны практически одновременно в нашей стране, США, Англии и Германии.

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 нежелательные 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, опытнее 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[16]. 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.

Уж если мы хотим составить полный список виновников возникновения шумов, то надо упомянуть и космические шумы. Это случайные электромагнитные излучения, приходящие к нам из просторов Вселенной. Работе обычных радиоприемников они чаще всего помех не создают, так как интенсивность их невелика. Но чувствительные антенны радиолокаторов улавливают и эти слабые сигналы, мешающие приему отраженных сигналов радиолокатора.

Интенсивность шума непрерывно изменяется. Поэтому для характеристики шума обычно используют величины, полученные в результате той или иной операции усреднения амплитуд отдельных шумовых выбросов. Чаще всего используют среднее значение шума (то есть величину, полученную усреднением амплитуды шумовых выбросов за длительный период) и дисперсию шума. Последняя величина характеризует отклонение амплитуды шума от среднего значения и позволяет оценить вероятность появления очень больших и очень малых шумовых выбросов.

Возьмем запись какого-нибудь шумового процесса и проведем линию, соответствующую его среднему значению, потом еще две линии: одну выше среднего значения, другую ниже. Расстояние между этими линиями и средним значением примем равным утроенному корню квадратному из дисперсии (то есть утроенному среднеквадратичному отклонению). При этом окажется, что амплитуды практически всех шумовых выбросов окажутся внутри этой полосы. В среднем только пять выбросов из тысячи могут превысить заданные нами границы. Значит, если полезный сигнал настолько велик, что значительно превышает верхнюю границу шумовой полосы, то мы практически всегда отличим его от шумового выброса. Если полезный сигнал мал и его уровня достигает большое число случайных выбросов, а некоторые даже превосходят его, то обнаружить полезный сигнал очень трудно, а иногда и невозможно.

У полезного сигнала кроме шума есть и еще один враг — помехи. Чем отличается помеха от шума? Обратимся к примеру. Вы сидите в зрительном зале перед началом спектакля. Занавес еще не поднят, и в зале стоит равномерный шум. Он складывается из негромких разговоров сидящих в зале, шума шагов зрителей, которые спешат занять свои места, поскрипывания кресел и так далее. Это шум. Он не мешает Вам вести приятную беседу с соседкой. Но вот начался спектакль и в зале установилась тишина. Вы напряженно следите за действием пьесы, и вдруг рядом с Вами кто-то вполголоса начинает оценивать прическу или костюм главной героини. Говорит всего один человек и, казалось бы, негромко, но слушать уже, что происходит на сцене, невозможно. Разговор соседей не только мешает, но и раздражает. Так вот, шум зала — это случайные шумы в приемнике, а разговор соседей — это помеха. Точно таким же примером помехи может служить назойливый знакомый, вмешивающийся в мирную беседу двух друзей, чтобы рассказать бородатый анекдот.

Итак, на техническом языке помехой называют достаточно сильный и не случайный сигнал какой-либо посторонней станции, который мешает работе приемного устройства. Хорошо еще, если нам будет мешать только одна станция, чаще же источников помех оказывается довольно много.

Иногда шумы и помехи различают и по их частотным свойствам. Если интенсивность шума равномерно распределена в большой области частот, то есть его мощность одинакова для любого участка диапазона частот, то специалисты говорят о «белом» шуме. Если мощность шума в одних участках полосы частот больше, а в других меньше, то тогда мы имеем дело с «цветным» шумом. При выборе таких названий важную роль сыграла аналогия с электромагнитными волнами светового диапазона. Если в излучении равномерно представлены все частоты видимого диапазона, то мы видим белый свет. Если преобладает какая-то одна частота или группа частот, то световой пучок представляется нам окрашенным в какой-либо цвет.

Радиотехники любят «белый» шум и очень не любят цветных шумов. Тут ни при чем расовые предрассудки радистов. Просто и методы расчета характеристик приемника, и способы уменьшения влияния шума лучше разработаны для случая белого шума, поскольку расчеты в этом случае проще, а при цветных шумах все значительно сложнее.

Тепловой шум обычно можно считать «белым», а вот суммарный шум от посторонних источников радиоизлучения может быть и цветным. Так бывает, когда в каком-то одном участке диапазона частот источников шумов больше или они интенсивнее, чем в других.

Помехи тоже можно различать по их частотным свойствам и по длительности. Может встретиться узкополосная (занимающая узкий участок диапазона частот) непрерывная помеха. На звуковых частотах примером такой помехи является монотонный вой сирены, для радиочастот — синусоидальное колебание, которое непрерывно излучает какой-нибудь посторонний генератор. Если этот сигнал будет достаточно сильным и попадет в полосу частот радиолокатора, то он может вызвать засветку горизонтальной полосы, перекрывающей всю ширину экрана индикатора. Высота такой полосы зависит от характеристики помехи. В этом случае оператор часто не может обнаружить цель.

Нередко в радиолокации сталкиваются и с другим видом помех — импульсными помехами. Уже из названия ясно, что в этом случае сигналы мешающей станции имеют вид коротких импульсов. Спектр короткого импульса занимает большую область частот, и чем короче импульс, тем шире эта область. Поэтому такие сигналы могут мешать станциям, работающим на разных частотах. На экране индикатора в момент прихода к антенне сигнала импульсной помехи возникает всплеск луча развертки, который вполне можно принять за полезный сигнал от цели. Чем больше таких импульсов и чем они мощнее, тем труднее оператору опознать полезный сигнал.

Как ни странно, но работающая радиолокационная станция иногда создает помехи для самой себя. Это так называемые «отражения сигнала от местных предметов». Если их много, то и на экране радиолокатора появится много отметок от неподвижных объектов (таких как крупные здания, холмы, трубы заводов и так далее). На фоне этих отметок очень трудно вести наблюдение за истинными целями. Можно, конечно, не опускать антенну радиолокатора так, чтобы местные предметы не попадали в поле зрения. Но тогда выпадает из поля зрения очень большой сектор пространства. Американские специалисты выбрали, например, другое решение. На полигоне Уайт-Сэнде они возвели вокруг радиолокационной станции металлический забор высотой 32 метра, окружность его равна 670 метрам. Укрепленная на стальном каркасе стальная сетка с ячейками размером 1,27Х1,27 сантиметров надежно защищает станцию от радиосигналов, отраженных от окружающих гор и крупных зданий.

Есть, конечно, и другие виды помех и все они так или иначе затрудняют работу радиолокационной станции. Помеха может возникнуть и случайно. Ну, например, какой-нибудь радиолюбитель заберется в чужую область частот и начнет передавать в эфир джазовую музыку или халатный шофер поставит около станции свою машину с неисправной системой зажигания. Это чисто случайные явления, которые заранее не предусмотришь. А вот в чем можно быть уверенным заранее, так это в том, что при возникновении какого-нибудь конфликта противник непременно постарается создать искусственные помехи, да еще такие, которые оказались бы наиболее вредными для радиолокационных станций. Ну об этом мы еще поговорим.

В первые годы существования радиоприемников радисты просто слушали или смотрели, есть сигнал или нет. Не было шума — хорошо, появляется шум — морщились, но терпели как неизбежное зло. Шла эра непротивления шумам и помехам. Потом начали думать, как избавиться от помех. Создали селективный (избирательный) частотный фильтр, а затем и оптимальный согласованный фильтр — убрали часть помех и шумов, частоты которых отличались от частот полезного сигнала. Но и такой фильтр пропускал все-таки много помех. Тогда решили накапливать сигнал. Идея накопления такова. Можно взять два последовательно пришедших сигнала, первый задержать, а потом сложить с только что пришедшим вторым сигналом. При этом суммарный полезный сигнал будет иметь удвоенную величину, так как оба сигнала одинаковы. Но шумы, мешающие нам в различные моменты времени, различны. И там, где у шума, пришедшего с первым сигналом, был положительный выброс, у шума, сопровождающего второй сигнал, может быть отрицательный выброс. В сумме они скорее всего дадут небольшую величину. Поэтому суммарный шум в большинстве случаев будет меньше искажать суммарный сигнал. И чем больше сигналов мы складываем, тем сильнее подавляются шумы и тем выше поднимается уровень суммарного сигнала над уровнем суммарного шума. Однако такой метод не всегда можно применять. Поэтому мы пока что займемся одиночным сигналом. Вот мы и вернулись на магистральный путь нашего изложения и будем снова, используя наши знания о шумах, разбираться в том…

Как это у нее получается? II

Чем больше амплитуда сигнала, тем труднее его спутать со случайными шумовыми выбросами и тем надежнее мы устанавливаем факт наличия отраженного сигнала, а следовательно, и цели. Значит, для нас увеличение амплитуды даже за счет искажения сигнала полезно и надо постараться усилить этот эффект. Мы уже говорили, что для этого надо применять сигналы с большой базой и фильтры, согласованные с ними. Постараемся подобрать нужный нам сигнал. В станциях, похожих на ту, с которой мы решили познакомиться, традиционно использовались импульсные сигналы — отрезки синусоидальных колебаний. У них ширина спектра и длительность связаны довольно жесткой зависимостью. Произведение этих величин равно постоянному числу, обычно не превышающему двух.

Удлиним такой сигнал — его полоса частот уменьшится, укоротим — возрастет. Типичная ситуация, которая называется: «Хвост вытащишь — нос увязнет». Так как база при этом сохраняется неизменной и небольшой по величине, то такие сигналы нас не устраивают. Почему? А вспомните, ведь выше мы говорили, что чем больше база сигнала, тем сильнее его можно укоротить, то есть сжать в приемнике. А это позволяет увеличить амплитуду полезного сигнала и точнее определить момент его появления.

Попробуем другой метод. Возьмем длинный сигнал и заставим его частоту изменяться во время передачи. При этом сигнал захватит всю область частот и обеспечит большую ширину полосы сигнала. Строго говоря, мы получаем уже не отрезок синусоидального колебания, который принято называть элементарным сигналом, а другой, более сложный, сигнал. За счет такого усложнения мы сумеем вырваться из круга сигналов с маленькой базой и получить хотя бы один сигнал с большой базой. Чем сильнее мы будем изменять частоту сигнала за время передачи, тем шире будет полоса частот. Умножив ее на большую длительность, мы получим базу, равную 100, 1000 и даже больше. Теоретики назвали такие сигналы сложными, потому что их внутренняя структура не так проста, как у элементарных, да и математическая запись их более громоздка. Для производственников эти сигналы также сложны, но по другой причине. Схемы формирования и согласованные фильтры в этих случаях становятся действительно сложными. Никого из специалистов уже не удивляет, что в современных станциях согласованный фильтр — один из самых важных и дорогостоящих блоков. Качество его работы определяет и характеристики всей станции.

Итак, мы сформировали длинный сигнал с достаточно большой базой и излучили его в направлении цели. Сигнал, отразившись от нее, попадает на приемную антенну и далее в согласованный фильтр. Посмотрим, как происходит укорочение, или сжатие сигнала.

Идея этого сжатия довольно проста. Обратимся сначала к примеру. Представьте себе: к длинной лестнице института один за другим подходят три человека. Сначала пожилой и солидный профессор, слегка страдающий одышкой и берегущей свое сердце. Конечно, он не будет сломя голову бежать по лестнице, а пойдет степенно и неторопливо. Через пару минут приближается полный сил доцент, в последнем приступе молодости[17] с портфелем, надежно удостоверяющим его прочное служебное положение. Ему вполне по силам быстро одолеть эту лестницу, но, оберегая свой авторитет, он сдерживает себя и поднимается не спеша, хотя и несколько быстрее профессора. Еще через две-три минуты к лестнице подбегает студент и, перепрыгивая через ступеньки, устремляется наверх. Если лестница достаточно длинная, то на какой-то ступеньке доцент догонит профессора, а их обоих догонит студент. Поскольку автор волен распоряжаться судьбами героев и всеми предметами в своей книге, то тут-то мы и срежем лестницу. Итак, до лестницы профессора и студента разделяло 400–500 метров, а пришли они одновременно. Длина процессии профессор — доцент — студент явно уменьшилась, так наши герои поднимались по лестнице с разной скоростью.

Теперь вернемся к сигналу, частота которого изменяется во время передачи. Мысленно разобьем его на три части и будем приближенно считать, что каждый из трех получившихся отрезков имеет свою собственную частоту. Теперь надо найти устройства, в которых скорость распространения сигналов с различными частотами была бы разной. Радиотехникам такие устройства известны. Это дисперсионные линии задержки. Линиями задержки их называют потому, что на прохождение таких схем сигналу требуется больше времени, чем на прохождение обычных проводников или участка безвоздушного пространства. Сигналы как бы задерживаются в этих элементах. А дисперсионными их называют потому, что сигналы с различными частотами задерживаются в них по-разному: одни побольше, другие поменьше. Именно это свойство мы и используем.

Подберем такие характеристики линии задержки, чтобы отрезки сигнала с разными частотами, поступающие на вход линии один за другим, на выходе появлялись бы одновременно. Для этого надо первым поставить отрезок сигнала, у которого скорость распространения в линии задержки минимальна, а последним — отрезок с максимальной скоростью. Тогда за время прохождения линии задержки отрезки подтянутся друг к другу и сигнал существенно укоротится. Величина сжатия определяется значением базы сигнала: если она равна ста, то сигнал на выходе линии задержки будет приблизительно в сто раз короче. Еще эффективнее предположить, что база сигнала равна ста тысячам, тогда сигнал на выходе укоротится в сто тысяч раз. Вот это уже впечатляет!

Итак, сигнал укоротился. Но энергия сигнала за исключением небольшие потерь в линии задержки, осталась той же. Следовательно, его амплитуда должна резко возрасти. Попробуйте перелить воду из широкой, но мелкой тарелки в высокий узкий стакан. Видите, насколько уровень воды в стакане выше уровня воды в тарелке? То же самое происходит и с нашим сигналом после его сжатия. Сигнал существенно поднимется над уровнем помех, и надежность его обнаружения значительно повысится.

Мы рассмотрели сигнал с изменяющейся частотой, который специалисты называют частотно-модулированным сигналом (всеобщее стремление к сокращениям привело к сжатию этого термина до ЧМ сигнала). Но, конечно, это не единственный вид сложного сигнала, который можно сжать в согласованном фильтре. Можно, оказывается, и не изменять частоту сигнала во время-передачи, а достаточно время от времени изменять фазу одной и той же несущей частоты. Правда, изменять фазу надо не как попало, а по определенному закону.

Посмотрите на шеренгу зеленых новобранцев, которыми командует бравый офицер. На верхнем рисунке все новобранцы стоят лицом к офицеру.

Будем считать, что они находятся по отношению к нему «в фазе». Если какая-то неведомая сила повернет их на 180 градусов и они окажутся к нему спиной, то в этом случае будем считать, что новобранцы по отношению к нам в противофазе. Историки утверждают, что для придворных некоторых монархов «попадание в противофазу» по отношению к владыке влекло за собой смертную казнь. Ну не будем так непримиримы. Вот офицер подает команду: «Кругом!» Для старослужащих выполнение этой команды не представляет никакого труда. Но ведь перед нами зеленые новобранцы. Как видите, мы получили довольно беспорядочный строй (не будем по некоторым соображениям приводить оценку такого построения офицером. Тем более, что нас оно вполне устраивает).

А теперь на место каждого новобранца поставьте отрезок синусоидального колебания.

Если взять отдельный короткий импульс (один солдат), то его спектр будет довольно широким, по база такого сигнала будет невелика. Если все импульсы находятся в фазе (стройная шеренга на верхнем рисунке), то получается непрерывная синусоида большой длительности с узкой полосой частот и опять-таки небольшой базой. А теперь рассмотрим хаотическое расположение отдельных импульсов в общем сигнале (нижний рисунок).

В этом случае из-за отсутствия согласования фаз соседних импульсов спектр сигнала будет широким, а длительность (равная сумме длительностей всех импульсов) довольно большой. Поэтому база всего сложного сигнала резко возрастет. Так, например, база сигнала, состоящего из ста отдельных импульсов, будет в сто раз больше базы каждого из них.

Отсутствие видимой симметрии в распределении фаз импульсов необходимо для лучшего качества сжатия. Чтобы осуществить укорочение такого сигнала, нужно задержать отрезки сигнала, пришедшие первыми, затем изменить фазы всех отрезков так, чтобы они совпали, и сложить эти отрезки. Задержку ранее пришедших отрезков, как и в первом случае, выполняет линия задержки, изменение фазы — фазовращатели, а сложение сфазированных отрезков — схема сложения (сумматор). Но если линия задержки для ЧМ сигналов должна иметь всего один вход и один выход, то линия задержки, применяемая для обработки сигналов с изменяющейся фазой (фазоманипулированных, сокращенно ФМ сигналов), имеет много выходов.

Длина линии задержки должна быть такой, чтобы сигнал полностью размещался в ней. Для каждого отрезка сделан собственный выход. Отрезок сигнала, поступивший первым, медленно проходит всю линию задержки. Отрезок, расположенный в середине сигнала, пройдет только половину линии. А последний отрезок совсем не задерживается. Каждый из них дойдет до своего выхода, они одновременно выйдут из линии задержки и поступят на схему сложения. Если фаза отрезка нас устраивает (скажем 0 градусов), то на этом выходе фазовращатель не нужен. Если фаза противоположная, то ставим фазовращатель, который изменит ее до нужного значения. Вот мы и получили: все отрезки находятся в фазе и появляются одновременно. Значит, на выходе схемы сложения сигнал укоротится, а амплитуда его возрастет. Эффект тот же, что и для ЧМ сигнала.

Если отрезки попытаются выйти через другие выходы, то несимметрично расположенные фазовращатели будут поворачивать фазы отрезков как попало и на схему сложения поступит примерно одинаковое число отрезков с противоположными фазами, а сумма двух отрезков с противоположными фазами практически равна нулю. Поэтому и суммарный сигнал будет невелик. Именно для этого и нужна кажущаяся хаотичность взаимного расположения отрезков с разными фазами. Лишь в том случае, когда отрезки сигнала попадают в предназначенные для них выходы, мы получаем мощный сжатый сигнал. Все сигналы, у которых закон расположения отрезков с разными фазами не совпадает с выбранным нами законом, не будут сжаты в линии задержки, и выходной сигнал будет невелик. Согласование фильтра, построенного на основе такой линии задержки, с ФМ сигналом достигается расположением фазовращателей, в точном соответствии с размещением противофазных отрезков в сигнале.

Вот в общих чертах объяснение того, как сжимают длинный сигнал в согласованных фильтрах радиолокационных приемников. Этим мы достигаем сразу несколько целей. Во-первых, сигнал стал заметнее среди шумов, во-вторых, он значительно укоротился, а это, как мы уже знаем, повышает разрешающую способность радиолокационной станции.

Теоретически степень улучшения характеристик станции пропорциональна величине базы сигнала. Но чем больше база сигнала, тем сложнее его внутренняя структура. Например, фазоманипулированный сигнал с базой 1000 должен состоять из 1000 отдельных отрезков, фазы которых распределены по заданному закону. Но трудно создать фильтр, согласованный с таким сигналом. В настоящее время самый распространенный метод построения таких фильтров основан на использовании линий задержки с отводами, на каждом из которых должен стоять фазовращатель. Значит, нужно сделать 1000 отводов с линией задержки, разместить на них примерно 500 фазовращателей (около половины отрезков будет иметь фазу, которую не нужно изменять) и разработать довольно сложную схему сложения 1000 отдельных отрезков сигналов.

Но и это еще не все. Сигнал по мере прохождения линии задержки в значительной мере ослабляется — затухает. Это связано с большим поглощением колебаний в материалах, используемых для задержки сигнала.

Так что изображенная на рисунке (стр. 94) ситуация не совсем точна. Если бы удалось нарисовать длинную линию задержки, у которой было бы 1000 выходов, то высота фигурок, изображающих сигналы, была бы разной. Для правильной обработки всего длинного суммарного сигнала необходимо, чтобы все отрезки (сигналы с отдельных отводов) имели одинаковую амплитуду. Следовательно, на многих отводах, особенно в конце линии задержки, нам придется ставить усилители, которые будут выравнивать амплитуды сигналов. Значит, фильтр станет еще сложнее. Для предохранения этого сложного фильтра от колебаний температуры, сотрясений, воздействия соседних блоков приемника нужно предусмотреть еще целый набор устройств, так что задача создания согласованного фильтра для сложного сигнала с большой базой действительно очень трудна. Естественно, что теоретикам задали вопрос, нельзя ли как-то обойти эти трудности и сжимать сигнал, не используя сложные в изготовлении согласованные фильтры.

Можно сделать иначе

Сжатия сигнала можно добиться и с помощью более простого устройства — коррелятора. У коррелятора два входа. На один поступает принятый сигнал, а на второй — подают так называемый опорный сигнал. Для этого в момент излучения передатчиком зондирующего сигнала небольшую часть этого сигнала отводят с помощью линии задержки. Коррелятор как бы сравнивает поступающие сигналы, и если они одинаковы, то на выходе формируется узкий и мощный сигнал. Этот пик в точности совпадает с пиком на выходе согласованного фильтра. Если сигналы на входе коррелятора будут разными, то на выходе получается незначительный сигнал, почти не заметный на фоне шума.

Правда, мы пока что предполагали, что нам известно, когда нужно подать опорный сигнал на коррелятор. На самом деле, конечно же, так не бывает. Чтобы узнать момент подачи опорного сигнала на коррелятор, нужно знать дальность до отражающего объекта, а это именно и является конечной целью работы радиолокатора. Такой порочный круг нужно разорвать. Делается это так.

Будем с очень небольшими перерывами подавать на коррелятор опорный сигнал. Если в какой-то момент на антенну сигнал не поступает, то на коррелятор одновременно с опорным сигналом придет лишь шум, который всегда принимается антенной. И только когда опорный сигнал поступает на коррелятор одновременно с принятым отраженным сигналом, на выходе коррелятора появится мощный сжатый импульс. В этот момент мы и заметим на экране индикатора отметку от цели. Но для непрерывной подачи опорного сигнала нужны иногда довольно сложные схемы задержки и устройства циркуляции. Часто сложность таких схем становится сравнимой со сложностью согласованного фильтра, и это сводит на нет преимущества простой структуры коррелятора (обычный перемножитель и интегратор). У радиолокаторов, использующих для сжатия сигналов коррелятор, есть довольно важное преимущество. В них можно менять форму используемых сигналов. Для этого нужно изменить только генератор зондирующих сигналов в передатчике. Работу коррелятора такая замена не нарушит, так как опорный сигнал отводится от генератора и он изменится автоматически при смене излучаемого сигнала. В приемнике с согласованным фильтром это сделать нельзя, так как быстро перестроить сложную структуру устройства обработки практически невозможно.

Почему это свойство является преимуществом? Представьте себе действующий в боевой обстановке радиолокатор, который использует только один вид сигнала. Системы радиотехнической разведки противника, оснащенные чувствительными приемниками, непрерывно ведут наблюдение на всевозможных частотах за появляющимися в эфире РЛС. Если им удается принять большое число сигналов радиолокационной станции, то тогда можно установить такие важнейшие характеристики РЛС, как частота сигналов, их длительность и даже форма отдельных импульсов. Зная эти параметры, противник может с помощью мощных передатчиков излучить сигнал, не отличающийся от зондирующих. При этом на индикаторе появится одна или несколько ложных отметок от целей, которых просто не существует. Противник может использовать и другие методы для срыва работы радиолокационной станции, например, излучать мощные шумовые сигналы в диапазоне частот РЛС. В этом случае наблюдение и реальных и ложных целей становится попросту невозможным. Вот в таких случаях и проявляются все преимущества станций с корреляционной обработкой. Она может изменить форму сигналов и тем самым избежать вредного воздействия помех противника.

У коррелятора по сравнению с согласованными фильтрами значительно шире круг используемых сигналов. Кроме уже знакомых нам ЧМ и ФМ сигналов в приемнике с корреляционной обработкой можно применять, например, сигналы в виде отрезков случайных шумовых процессов. Создать согласованный фильтр для этого сигнала невозможно, а использовать его очень соблазнительно. Обнаружение такого радиолокатора — дело весьма трудное, так как его сигналы легко спутать с обычными шумами. Но даже если сигнал обнаружен, измерить его параметры почти невозможно.

В конечном итоге получается, что и у корреляторов, и у согласованных фильтров есть и свои достоинства, и свои недостатки. Решать, какую из схем радиолокационного приемника надо использовать, приходится в каждом конкретном случае отдельно, тщательно взвесив цели, поставленные перед будущей станцией, и возможности производства. В любом случае — используем ли мы коррелятор или согласованный фильтр — физический смысл обработки сигнала один и тот же. Мы просто сжимаем приходящий отраженный сигнал, чтобы повысить надежность его обнаружения и улучшить разрешающую способность станции.

Но у всякого реального полезного процесса есть и неприятные теневые стороны. И в нашем случае приходится учитывать побочные эффекты сжатия импульсных сигналов. Вот к ним-то мы и переходим.

О тех, кто рядом

Ну что же, казалось бы, все в порядке. Над уровнем шума сигнал мы подняли, сделали его коротким, так что местоположение цели теперь можно определить достаточно точно. В пору подписывать проект станции у начальства и передавать его разработчикам. Они превратят проект в рабочие чертежи и схемы, строители возведут станцию, монтажники соберут оборудование. Станцию опробуют и сдадут эксплуатационникам, которым предстоит обнаруживать и сопровождать цели. И все-таки остается еще масса нерешенных проблем, и одна из самых важных — проблема боковых лепестков.

Дело в том, что при сжатии в согласованном фильтре и в корреляторе мы никогда не получаем одиночного сжатого сигнала. Где бы он ни появился, его всегда спереди и сзади сопровождают младшие братья — боковые лепестки. Иногда их еще называют остатками сжатого сигнала. Хотя они по величине меньше основного, но учитывать их влияние необходимо. Никакой пользы они не приносят, а вредны по двум причинам.

Во-первых, боковые лепестки увеличивают уровень шума вблизи сжатого сигнала. Если один из них случайно совпадает с шумовым выбросом, то их сумма может стать большой и такой лжесигнал можем принять за полезный — произойдет ложная тревога.

Во-вторых, даже если шум настолько слаб, что его влиянием можно пренебречь, то и тогда боковые лепестки могут исказить истинную картину расположения целей.

Уровень боковых лепестков пропорционален уровню полезного сжатого сигнала.

Увеличим полезный сигнал втрое — и боковой лепесток возрастет втрое. При уменьшении сигнала происходит то же самое. Предположим, что самый большой боковой лепесток в десять раз слабее сжатого сигнала и на антенну попадает два полезных сигнала от двух разных целей. Один из них, скажем второй, слабее другого тоже в десять раз. Тогда наибольший боковой лепесток первого сигнала и второй основной сжатый сигнал имеют одну и ту же величину. Попробуйте разобраться, кто есть кто! Вряд ли Вам это удастся. А если второй полезный сигнал еще слабее или шум не очень мал, то на экране появится такая неразборчивая картина, что второй полезный сигнал мы наверняка пропустим. Если мы знаем, что вторая цель наверняка должна быть, и поэтому пристально ищем отметку от нее, то тогда мы можем принять боковой лепесток первого сигнала за отметку от второй цели. Тем более, что боковой лепесток так же стабилен, как и полезный сигнал. Опять ошибка, так как вторая цель будет обнаружена не там, где она находится на самом деле.

Вот почему вредны боковые лепестки. Совершенно устранить их невозможно. Правда, придуманы методы частичного уменьшения величины боковых лепестков, но они весьма сложны и не всегда надежны. Приходится учитывать и то, что, пытаясь уменьшить боковые лепестки, мы можем исказить или уменьшить и основной, сжатый, полезный сигнал. Поэтому специалисты вынуждены мириться с присутствием этих вредных сигналов и следить лишь за тем, чтобы они не становились слишком большими.

Для каждого радиолокационного сигнала картина расположения боковых лепестков различна. Обычно боковые лепестки занимают интервал, равный удвоенной длительности несжатого сигнала. Сам основной сжатый сигнал расположен в центре этого интервала. У одних сигналов боковые лепестки равномерно покрывают весь интервал и величина их примерно одинакова. У других боковые лепестки имеют разную величину, причем наибольшие лепестки могут располагаться и вблизи сжатого сигнала, и по краям интервала. Существует несколько приближенный закон сохранения «объема» лепестков. Если за счет каких-то мер мы добились уменьшения лепестков на одном участке интервала, то обязательно должны возрасти лепестки на других участках. Подбирая сигнал и несколько видоизменяя его, мы можем получить практически любое нужное нам расположение боковых лепестков.

Причем иногда на каком-либо небольшом участке интервала удается совершенно избавиться от них. Этим обстоятельством пытаются воспользоваться специалисты.

Пусть, например, известно, в какой момент следует ожидать появление отметки от второй, меньшей цели. Тогда можно выбрать сигнал, у которого именно в этот момент бокового лепестка нет или он очень мал. Уж теперь-то мы сможем заметить и маленькую цель. А то, что боковые лепестки, появляющиеся в другие моменты времени, возрастут, это уже не так важно. Если известно, что цели идут рядом, то мы постараемся очистить от боковых лепестков участок около сжатого сигнала. Ведь освободил же художник место в трамвае для девушки.

При этом мы сознательно идем на то, что слабые отметки от целей, расположенных дальше, почти наверняка не будут обнаружены. Нужно заметить маленькую цель в другом участке интервала. Уберем боковые лепестки и из этого участка. При этом мы предполагаем, что нам точно известно, где может появиться цель (на практике так бывает очень редко). Если же у нас нет никаких сведений о второй цели, то приходится выбирать сигнал, у которого боковые лепестки средней величины равномерно заполняют весь интервал. Без априорных сведений о второй цели ничего лучше не придумаешь.

Вот и получается, что для каждой конкретной ситуации нужно было бы иметь свой сигнал, лучше всего подходящий для этого частного случая. Теоретикам не удалось найти сигнал, подходящий ко всем случаям. Да это, видимо, и невозможно. Пессимизм автора в этом случае разделяет и видный американский специалист Вудворд, который после многолетних исследований с грустью констатировал: «Основной вопрос, какой сигнал лучше всего использовать в радиолокации, остается по существу без ответа».

Как найти цель, послать сигнал и получить ответ

Раньше при оценке характеристик радиолокационной станции мы уже немного рассказали о том, как станция ищет цель в секторе обзора. Но до сих пор мы говорили лишь о приемнике радиолокационной станции. Пришла пора поговорить и о передатчике. Как обычно, начнем с примера.

Представьте себе, что Вас попросили найти какой-нибудь предмет в совершенно темной комнате. В зависимости от обстоятельств поиска может возникнуть несколько различных ситуаций. Разберем их по порядку

Ситуация № 0. Цель поисков — маленький предмет, например карандаш. Света в комнате нет, карманный фонарик Вы не захватили. Ищете вслепую, не зная, где лежит карандаш. Можно смело утверждать: Вы его не найдете.

Ситуация № 1. Цель поисков — часы со светящимся циферблатом или просто наша старая помощница — кошка. Света нет, да он и не нужен. Вам лучше всего войти в комнату и внимательно осмотреться. Цель сама подскажет, где она находится, и наверняка будет обнаружена.

Ситуация № 2. Цель поисков — по-прежнему кошка. Зато теперь у Вас есть карманный фонарик. Включайте его и осмотрите поочередно все места, где может она находиться.

Уверен, что Вам удастся отыскать ее, даже если в данный момент кошка находится под кроватью или в шкафу (в детективных фильмах все шпионы действуют именно в таких ситуациях).

Ситуация № 3. Самая простая. Вы можете включить верхний свет и обнаружить любой предмет, который находится в комнате. Правда, Вам, может быть, придется несколько раз повернуться и даже нагнуться или встать на цыпочки, чтобы заглянуть во все углы (но это уже не столь важно).

Изучив эти ситуации, читатель без труда разберется и в методах поиска целей радиолокационной станцией. Достаточно для каждой из ситуаций привести радиолокационную аналогию.

Ситуация № 0. С радиолокационной точки зрения интереса не представляет. Станция просто-напросто не включена. Конечно же, цель не будет обнаружена.

Ситуация № 1. В этом случае сама цель должна излучать сигналы, согласованные с приемником станции. Передатчик радиолокатора выключен. Поэтому «молчащие» цели или цели, излучающие сигналы, не согласованные с приемником, не будут обнаружены. Просматривая сектор обзора, мы сможем обнаружить «светящиеся» цели и измерить их угловые координаты. Вот только с определением дальности будет трудновато, так как мы не знаем момента излучения принятого сигнала. Это так называемая пассивная радиолокация. У нее есть то преимущество, что наблюдающая за целью станция себя не обнаруживает, так как не излучает собственных сигналов, а лишь улавливает своей антенной излучение цели. Недостатки очевидны. Трудно надеяться на то, что все цели будут излучать сигналы, да еще и согласовывать их с приемным устройством станции.

Ситуация № 2. Передатчик радиолокационной станции по определенному закону поочередно посылает свои собственные (зондирующие) сигналы в каждую точку сектора обзора. Приемная антенна поворачивается или настраивается (при электронном управлении) таким образом, чтобы улавливать отраженные сигналы из узкого «освещенного» участка сектора. При этом в станции можно использовать всего одну антенну. Сначала ее подключают к передатчику и посылают зондирующий сигнал. Затем антенну подключают к приемнику и ожидают отраженный сигнал в течение времени, за которое может прийти сигнал от цели, находящейся на максимально возможной дальности. Затем антенну перемещают и цикл передача — прием повторяется. Здесь мы встречаемся с активной радиолокацией. Обнаружение цели производится независимо от того, хочет она этого или нет. Наиболее трудной операцией в этом случае является переключение антенны. Техническая реализация переключателя часто представляет собой очень сложную задачу.

Ситуация № 3. В станции используют две различные антенны. Небольшая передающая антенна с широкой диаграммой направленности освещает сразу значительную часть сектора обзора, а иногда и целиком весь сектор. Огромная приемная антенна с узкой диаграммой направленности (которая нужна для точного определения угловых координат) осматривает сектор обзора, обнаруживая цели в любой его точке. Закон обзора сектора для приемной антенны в этом случае никак не связан с режимом работы передатчика. Приемная антенна обрела полную самостоятельность. Закон перемещения диаграммы направленности приемной антенны по сектору обзора может быть различным. Можно просматривать сектор по строкам, как при чтении страницы книги, можно по спирали, начиная с границ сектора обзора и приближаясь к его центру. Если какой-либо участок сектора обзора интересует нас в большей степени, мы задержим в нем диаграмму направленности приемной антенны на необходимое время.

В последние годы управление диаграммой направленности все чаще доверяют вычислительной машине. Лишь она в состоянии быстро оценить важность того или иного участка сектора, установить, есть там цель или нет, и выдать команду на перемещение диаграммы в другую точку.

Когда цель обнаружена, нам надо решить, что же делать дальше. Мы можем либо следить за уже обнаруженной целью, то есть взять ее на сопровождение, либо, помня о том, что одна цель уже обнаружена, искать другие, пока еще не обнаруженные цели. Ну а, кроме того, в современной станции иногда можно одновременно и искать новые цели и сопровождать уже обнаруженные. При этом часто возникает вопрос, нужно ли сопровождать данную цель или она не представляет для нас интереса. Решающую роль при этом играет, конечно, характер цели. Если это мирный метеорологический спутник, так пусть себе летает. А если боевая ракета? В общем машине или оператору, которые распознают цели по виду отраженных сигналов, есть над чем поломать голову.

При современном развитии радиолокации станция практически никогда не работает в одиночку. Обычно в группе радиолокационных станций производится координация действий и четкое распределение обязанностей между станциями. Те станции, у которых дальность действия больше, работают в режиме обнаружения. Когда цели приближаются, их передают на сопровождение младшим станциям с меньшей дальностью действия, а сами опять переходят в режим поиска. Станции сопровождения, получив целеуказание или координаты обнаруженной цели, уже не тратят времени на обзор пространства, а сразу захватывают цель и начинают следить за ее перемещениями. При этом получают траекторию, пространственную кривую, описывающую движение цели. Математики разработали методы продления отрезка траектории и вперед, и назад. Поэтому, наблюдая цель в течение нескольких секунд, в принципе можно приближенно определить всю ее траекторию. Если мы наблюдаем за спутником, то можем найти форму орбиты, если за баллистической ракетой, то можно более или менее точно назвать точку старта и место ее падения. Соответствующие заинтересованные лица определят, что нужно делать дальше, но это тема уже совсем другой книжки (помните гриф «Перед прочтением сжечь!»).

Заканчивая главу, еще раз покаемся, что рассказали не о всех возможных режимах работы радиолокационной станции. Например, при наблюдении цели на очень больших расстояниях можно использовать полуактивный или полупассивный режим. При этом на самой цели устанавливается и приемник, и передатчик. Слабый зондирующий сигнал усиливается в приемнике и переизлучается передатчиком в направлении радиолокационной станции вместо слабого отраженного сигнала. В таком случае дальность действия станции резко возрастает. Правда, надо еще договориться с самой целью, согласится ли она таскать на себе приемник и передатчик. С чужими целями мы об этом, пожалуй, не договоримся.

Существует, естественно, еще много режимов работы станций. К тому же, каждый уважающий себя специалист стремится придумать какой-нибудь новый режим, более всего подходящий к решаемой им задаче, так что рассказать о всех физически невозможно. Сдаемся и переходим к следующей главе.

Кажется разобрались, что к чему

Мы теперь представляем, каким должен быть сигнал, чтобы станция могла выполнить все поставленные перед ней задачи. Заказчик может быть доволен, ведь мы честно старались выполнить все его требования. Дело теперь за производством.

Скажем сразу: новорожденная, только что построенная станция сначала будет работать несколько хуже, чем ожидали разработчики. Лишь после доводки и отработки сначала отдельных устройств, а потом и всей станции она станет такой, какой представлялась создателям при подписании проекта, а может быть, и несколько лучше. Ведь наука и техника не стоят на месте. К моменту сдачи станции потребителям в научно-исследовательских лабораториях уже рождается замысел следующей станции, которая должна быть совершеннее, компактнее и так далее, и тому подобное. Словом, она должна быть лучше. Чтобы показать, насколько же можно улучшить радиолокационные станции, приведем один, на наш взгляд, весьма любопытный пример.

Американский специалист Катрона сравнил возможности звуколокационного аппарата летучих мышей с параметрами лучших из существующих радиолокационных станций. Такое странное, на первый взгляд, сравнение представляет большой интерес для радиоинженеров, так как летучая мышь, звуколокационный аппарат которой весит доли грамма и занимает объем порядка одного кубического сантиметра, способна выполнять те же функции, что и радиолокационное устройство весом в сотни килограммов и объемом в несколько сотен кубических дециметров.

В результате сравнения Катрона пришел к следующим выводам:

1. Летучая мышь может принимать сигналы, величина которых сравнима с уровнем шумов, в то время как радиолокатор уверенно принимает только те сигналы, которые значительно сильнее шума.

2. Точность определения дальности до объекта и его угловых координат у летучей мыши выше, чем у действующих радиолокаторов.

3. Летучая мышь может поймать, по крайней мере, 175 москитов за 15 минут, то есть одного москита менее чем за 6 секунд. Завидная пропускная способность для системы обнаружения целей и наведения истребителей! Даже лучшие радиолокационные системы вместе с самыми быстродействующими вычислительными машинами, по-видимому, не смогут повторить такой результат. При охоте за москитами летучая мышь движется по оптимальному пути, который специалисты называют «кривой погони». Именно по такой траектории наводят истребители и ракеты вычислительные машины, входящие в состав комплексов противовоздушной обороны. Оказывается, что и «встроенная вычислительная машина» летучей мыши работает на уровне самых современных требований. Отметим здесь, что в опытах, которые провели американские специалисты Д. Гриффитс, Ф. Вебстер и С. Майкл[18], были зарегистрированы случаи, когда летучая мышь ловила двух насекомых в секунду одно за одним! Поразительный результат!

4. Летучие мыши обычно живут в пещерах и, вылетая из них, пользуются своим природным радаром. Масса летучих мышей одновременно издает крики, но эти крики, вероятно, не заглушают друг друга. Летучая мышь, по-видимому, обладает способностью не реагировать на сигналы, испускаемые другими летучими мышами, и на посторонние помехи. Радиолокаторы пока что похвастаться этим не могут. Сигналы расположенных рядом радиосистем сильно мешают нормальной работе радиолокационной станции, и борьба с помехами все еще остается серьезной проблемой для радиоспециалистов. При использовании радаров для военных целей противник часто старается нарушить работу чужих установок, излучая в направлении приемников радиолокаторов мощные шумовые сигналы. Проведенные с отдельными летучими мышами лабораторные эксперименты показали, что ультразвуковой шум значительной силы почти не влияет на их поведение и не мешает им использовать свой локационный аппарат. Такой устойчивостью к воздействию помех радиолокаторы пока не обладают.

5. Произведенные оценочные расчеты показывают, что мощность сигналов летучей мыши достигает 0,11 ватт на килограмм веса и около 0,03 ватта на кубический дециметр объема. Аналогичные значения для радиолокационной станции равны 0,2–1,0 ватт на килограмм веса и 0,2–0,5 ватта на кубический дециметр. Это единственный параметр, по которому созданные человеком радиолокаторы превосходят звуколокационный аппарат летучей мыши. Но это весьма слабое утешение.

Ведь «энергетическая установка» летучей мыши обеспечивает прежде всего ее перемещение и функционирование внутренних органов, и только часть энергии, по-видимому, очень небольшая, может «подаваться в локационный аппарат». В то же время энергоустановка радиолокационной станции практически целиком предназначена для осуществления локации. Так что сравнение не совсем правомерное. По-видимому, и по этому показателю создание природы существенно опережает творение человеческих рук.

6. Объем данных, которые обрабатывает летучая мышь при обнаружении и преследовании большого числа насекомых, можно сравнить с объемом информации, перерабатываемой аэродромным обзорным радиолокатором. Но летучая мышь ухитряется принимать и обрабатывать сигналы с помощью «устройства» весом в доли грамма и объемом в доли кубического сантиметра, а аэродромный радиолокатор весит сотни килограммов и занимает объем в несколько кубических метров.

Д. Каландер (Массачусетский технологический институт) провел детальное исследование сигналов, издаваемых летучей мышью на разных фазах полета: начальная фаза — поиск добычи, промежуточная — обнаружение и последняя фаза — преследование и поимка. Он доказал, что частота ультразвуковых сигналов сильно изменяется при переходе от одной фазы к другой. Оказывается, что очень важная качественная характеристика — длина волны, измеряемая расстоянием, которое пройдено в воздухе за время одного колебания, — в обоих случаях почти одинакова: 3,4 миллиметра для локационного аппарата мыши и 30 миллиметров для радиолокатора, с которым проводилось сравнение. Здесь летучая мышь имеет даже некоторое преимущество. Кроме того, у нее длина волны варьируется в пределах одного сигнала от 3,4 до 7 миллиметров. Ни один созданный человеком радар не обладает этой особенностью, а вполне возможно, что именно здесь и таится причина удивительной эффективности локационного аппарата летучей мыши[19].

Ухо летучей мыши из породы ночниц представляет собой избирательный отражатель, который может отражать сигналы в различных направлениях в зависимости от их частоты. И действительно, животное посылает сигнал, в пределах которого частота сильно изменяется. Недавно предложено создать радары, использующие этот принцип (сигнал с переменной частотой и антенну, сделанную по диаграмме избирательного излучения), чтобы определять направление на объекты.

Интересны и другие случаи прямого копирования локационного аппарата летучей мыши. Так, например, англичанин Л. Кэй создал миниатюрные акустические радары для слепых. Эхо отражается от предметов по-разному в зависимости от их удаленности от источника сигнала и формы поверхности. После небольшой тренировки с радаром Кэя можно отличить гладкие поверхности от поверхностей, имеющих какую-то фактуру. Этот портативный радар сконструирован на основе использования принципа действия природного локатора летучей мыши.

Один и тот же радар позволяет летучей мыши не только избегать крупных препятствий, но и ловко хватать мелких насекомых. Этот аппарат дает достаточно подробную информацию, которая позволяет различать эхо от неподвижных препятствий и эхо от движущихся объектов. При этом надо иметь в виду, что и те и другие перемещаются по отношению к летучей мыши, находящейся в постоянном движении.

Один из видов летучих мышей питается не насекомыми, а мелкими рыбками. Животные замечают рыбок, когда те поднимаются почти к самой поверхности, точнее, когда их плавники слегка показываются над водой. Р. Сазерс, проводивший эксперименты с этими животными, заметил, что они способны отличать одну мишень от другой и узнают мишень, напоминающую плавник рыбы. Как видите, летучие мыши уже решили проблему распознавания цели по отраженному сигналу, которая сейчас представляет огромный интерес для специалистов радиолокации.

Вот и получается, что разработчикам радиолокаторов нужно еще много поработать, чтобы хотя бы приблизиться к эффективности систем, созданных природой.

Как цели маскируются

Мы уже говорили о том, как велика роль радиолокации в современном военном деле. Она помогает обнаруживать и опознавать цели в воздухе, на воде и на суше. На основании этих сведений военные принимают решение о том, насколько опасен тот или иной объект и в случае необходимости принимают меры к его уничтожению. При этом наведение оружия на цель также осуществляется с помощью радиолокации.

Естественно, что противник использует все возможные способы для того, чтобы затруднить или сделать полностью невозможным обнаружение и опознание его военных объектов. Для этого чаще всего применяется радиолокационная маскировка целей.

Маскировку человечество знает с незапамятных времен. Вспомните, как маскируется охотник, подкрадывающийся к дичи в лесу по снежному насту. Он старается слиться с окружающим фоном, так чтобы глаз животного не смог заметить опасности. Да и сами животные с их защитной окраской служат отличным примером маскировки. Некоторые из них способны даже изменять свою окраску в зависимости от окружающей обстановки.

Применяется маскировка и в армии. Защитный цвет обмундирования, маскировочные халаты, маскировочные сетки, которыми покрывают военную технику и сооружения, — все это широко использовалось и используется сейчас вооруженными силами всех стран. Но такая маскировка достигает цели только в том случае, если противник ведет разведку с помощью оптических средств: либо невооруженным глазом, либо с помощью биноклей, стереотруб и так далее.

При радиолокационной разведке ни раскраска по всем правилам маскировочной науки, ни маскировочная сетка с воткнутыми в нее ветвями не скроют танк или машину от оператора радиолокационной станции. Тем более невозможно замаскировать обычными средствами истинно радиолокационные цели — самолеты или баллистические ракеты во время их полета. В этих случаях используются специальные методы радиолокационной маскировки целей.

Мы познакомимся с этими методами на примере радиолокационной маскировки головных частей баллистических ракет[20]. При этом первым шагом обычно является выбор такой формы головной части ракеты, чтобы сигнал, отраженный от нее, был как можно слабее. Для этого, как показали исследования, необходимо, чтобы конструкция объекта не имела резких углов, изгибов, плоских или цилиндрических поверхностей, расположенных перпендикулярно к направлению наблюдения. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет узкий конус, направленный к наблюдателю вершиной. Основанию головной части ракеты при этом придается форма сферы. Поэтому в настоящее время специалисты-ракетчики зарубежных стран ставят вопрос о замене устаревших боеголовок, которые имели форму цилиндра с закругленной вершиной, на боевые головки в виде острого конуса. Но даже такая конструкция еще не гарантирует малости отраженного сигнала. Если головная часть не стабилизирована, то есть кувыркается во время полета, то наблюдатель видит ее с разных направлений, причем для некоторых из них отраженный сигнал будет велик. Чтобы избежать этого, головные части баллистических ракет стали стабилизировать и ориентировать на траектории в направлении вероятного расположения радиолокационной станции. Так удается в сотни раз уменьшить сигнал, отраженный от объекта, что, в свою очередь, в несколько раз уменьшает расстояние, на котором можно уверенно фиксировать наличие цели с помощью радиолокатора. За счет этого резко сокращается резерв времени, который имеет обороняющаяся сторона для отражения нападения, что ставит ее в весьма невыгодное положение.

Уменьшить величину сигнала, отраженного от цели, можно, покрывая ее поверхность специальными материалами, которые поглощают радиоволны. Их называют радиопоглощающими покрытиями. Работы по созданию таких материалов ведутся сейчас во многих лабораториях США, ФРГ, Франции и других стран. Уже созданы материалы, которые при толщине покрытия 6—12 миллиметров ослабляют отраженный сигнал в 20—1000 раз. Цель, покрытая таким материалом, как бы надевает маскировочный халат, и обнаружить ее становится весьма сложно. Правда, маскировочный халат пока что довольно тяжелый — один квадратный метр покрытия весит 5–6 килограммов, а это существенно уменьшает боевой вес ракеты. Кроме того, такие покрытия обычно маскируют цели от радиолокационных станций, работающих в каком-либо одном, заранее выбранном, интервале частот; для станций, работающих на других частотах, они не эффективны. Но исследования в этой области, по-видимому, будут продолжены.

Но обороняющаяся сторона улучшению средств маскировки целей противопоставляет улучшение радиолокационных станций. Как и в любой области военного дела, здесь идет непрерывное соревнование между броней и снарядом, между нападением и защитой. Цели уменьшают свои отражающие свойства, и сигнал от них становится очень слабым. Значит надо увеличивать мощность станций, облучать цели более сильными сигналами, развивать методы обработки слабых сигналов.

Но существуют и такие методы радиолокационной маскировки, при которых увеличение мощности сигнала не помогает обнаружить цель. Например, использование пассивных помех и ложных целей. В непосредственной близости от истинной цели разбрасываются отражатели, создающие на экранах радиолокаторов большое число отметок.

Определить, какая из них относится к истинной цели, часто бывает очень трудно. И уж во всяком случае, время, необходимое для обнаружения цели, резко увеличивается, а именно этого и добивается нападающая сторона.

Почему же в этих случаях не помогает увеличение мощности сигнала? Дело в том, что если мы увеличим мощность передатчика, то возрастают отраженные сигналы и от истинной, и от ложных целей. А значит относительная мощность помехи остается той же самой.

На разных участках траектории в качестве ложных целей применяют различные отражатели. Так, в средней части траектории, когда ракета движется на неатмосферном участке, где практически отсутствует сопротивление воздуха, применяют легкие металлические отражатели или надувные металлизированные баллоны. Выбор подходящей формы и размеров таких отражателей позволяет хорошо имитировать отражательные свойства головной части. А так как в безвоздушном пространстве характер движения легких и тяжелых тел одинаков, то оператор видит несколько целей, похожих и по характеру движения, и по величине отраженного сигнала.

На конечном участке траектории, когда цели входят в плотные слои атмосферы, легкие отражатели начинают отставать от тяжелых целей и уже не могут замаскировать истинную цель. В этом случае используют тяжелые ложные цели, которые движутся в атмосфере с той же скоростью, что и истинная цель. Но затраты на вывод килограмма массы на траекторию не зависят от того, что выводится — боевая головка или ложная цель.

По-видимому, именно такие соображения привели зарубежных специалистов к выводу, что тяжелую ложную цель не всегда целесообразно использовать, иногда вместо нее можно применить просто разделяющуюся головную часть, которая в определенный момент делится на несколько самостоятельных боевых головок, движущихся по различным траекториям. Наблюдатель при этом оказывается в положении охотника, преследующего даже не двух, а сразу несколько зайцев.

Применяя головные части специальной формы и покрывая их радиопоглощающими материалами, нападающая сторона стремится затруднить обнаружение целей и оттянуть время установления самого факта нападения. При использовании ложных целей ситуация оказывается в некотором смысле противоположной. Здесь нападающая сторона не скрывает своих агрессивных намерений. Ведь обнаружить сложную цель, состоящую из целой группы объектов, обычно значительно проще, чем обнаружить одиночную цель. Так что обороняющиеся узнают о нападении значительно раньше. Но теперь перед ними возникает новая, не менее сложная задача: из множества целей, которые одновременно появляются перед ними, надо выбрать только те, которые представляют наибольшую опасность и именно их уничтожить.

Зарубежные эксперты высказывают мнение, что при приближении большого числа целей не приходится рассчитывать на то, что удастся уничтожить их все сразу. Значит надо стараться выделить лишь истинные боевые головки и сделать это необходимо в те считанные минуты, что остаются для принятия решения. Хорошо еще, если целей (и истинных и ложных) только 5 или 10. А если их значительно больше? Тут не то что оператор, наблюдающий за этим множеством мерцающих целей, а и современная быстродействующая вычислительная машина может не справиться. Обычно радиолокационная станция рассчитана на одновременное наблюдение какого-то определенного числа целей. Если целей больше, то происходит перегрузка станции и часть целей может быть потеряна. Именно к этому и стремится нападающая сторона, создавая большое число ложных целей. Ведь среди целей, потерянных станцией, может оказаться и боевая головка, которая незамеченной проскользнет оборонительный рубеж.

Эффективность современных радиолокационных станций в значительной мере определяется быстродействием и объемом памяти вычислительных машин, которые обрабатывают принимаемые станцией сигналы и анализируют их, отделяя истинные цели от ложных. Видимо, поэтому иностранные эксперты считают, что дальнейший прогресс противоракетной обороны зависит от совершенствования как радиоэлектронной аппаратуры РЛС, так и сопряженных с ними вычислительных машин.

Считают, что нападающая сторона может применять и другие средства для затруднения работы станции. Наряду с боевыми головками и ложными целями запускают, например, объекты, оборудованные станциями глушения, которые излучают шумовые сигналы в диапазоне частот, на которых по предположению должна работать РЛС противника. В этом случае принимать отраженные сигналы становится значительно труднее, а иногда и просто невозможно. Вот почему частоты, на которых работают РЛС, сохраняются в строгой тайне, а разведка нападающей стороны стремится всеми способами определить их хотя бы приблизительно.

Таковы лишь некоторые методы радиолокационной маскировки современных средств ракетного нападения. Разработаны, конечно, и другие методы, но познакомиться со всеми в одной книжке невозможно. В источниках, указанных в сносках, при желании можно найти значительно больше сведений о самых современных способах радиолокационной маскировки всевозможных объектов, от огромного авианосца или промышленного здания до винтовки.

И как их все-таки узнают?

Только что мы познакомились с иностранными данными о методах радиолокационной маскировки. Если рассказ был убедительным (автор во всяком случае к этому стремился), то читатель может подумать, что наблюдать за целями с помощью радиолокатора — задача бесперспективная. Ведь среди помех, шумов и ложных целей заметить полезный сигнал, отраженный от истинной цели, очень трудно, а узнать по этому сигналу, с какой именно целью мы имеем дело, по-видимому, просто невозможно.

Но превратив читателя в пессимиста, автор все-таки берется доказать, что дело обстоит не так уж плохо. И действительно, станции-то работают и обнаруживают цели. Сейчас мы и расскажем, используя и здесь данные зарубежной печати, о методах опознавания целей.

Как вы можете узнать при встрече человека, которого никогда раньше не видели? Лучше всего, если у Вас есть его портрет, фотокарточка или хотя бы словесный портрет, который умеют составлять криминалисты. В таком словесном портрете перечисляются основные черты разыскиваемого человека, например форма носа, разрез и цвет глаз, овал лица и т. д.

Вот и цели можно узнавать по их портретам. Правда, это не живописней портрет и даже не фотокарточка. Для опознания цели нам нужен специфический «радиолокационный портрет». Создают его следующим образом. Берут какую-нибудь цель и везут на специальный полигон. Там ее закрепляют на подставке и поворачивают в разные стороны. В каждом положении цели включают радиолокационную станцию и записывают отраженный сигнал. А его величина сильно зависит от угла, под которым мы облучаем цель. Для некоторых углов отраженный сигнал велик, для других мал. Самый слабый отраженный сигнал получается при наблюдении «с носа», когда цель повернута к нам своим заостренным концом. А если цель развернуть так, что ее боковая поверхность будет перпендикулярна направлению наблюдения, то отраженный сигнал будет максимальным.

Нарисуем теперь прямоугольную систему координат и будем откладывать по горизонтальной оси угол поворота цели, а по вертикальной — величину отраженного сигнала. Получим волнообразную кривую, у которой будут и широкие плавные подъемы, и узкие выбросы, и глубокие провалы. Это диаграмма обратного отражения цели, или ее радиолокационный портрет. Можно использовать и другую систему координат — круговую или полярную. Тогда угол поворота нужно откладывать по дуге окружности, а величину отраженного сигнала по радиусу, соответствующему этому углу. при этом мы получим круговую диаграмму обратного отражения, которая будет иметь вид замкнутой кривой. Однако чередование максимумов и минимумов на ней, характерное именно для этой цели, сохранится. Такая круговая диаграмма напоминает цветок. Если цель гладкая, как например головная часть ракеты, то диаграмма имеет 3–4 больших лепестка и похожа на цветок мака. У сложных целей, таких как самолет или спутник, которые имеют много выступающих элементов, антенн, острых граней и углов, радиолокационный портрет скорее всего напоминает ромашку.

Итак, портрет готов. Точно так же можно снять портреты и других радиолокационных целей. Если цель очень велика или ее нельзя привезти на полигон, то портрет можно снять и по модели. Делают точную уменьшенную копию цели и исследуют ее на полигоне. Правда, при этом и длина волны радиолокатора должна быть уменьшена во столько же раз, во сколько мы уменьшили цель. Тогда портрет получается точно таким же, как если бы мы наблюдали саму цель.

Теперь собираем все портреты в альбом и пишем на обложке: «Каталог наблюдаемых объектов для N-ской радиолокационной станции, работающей на частоте F_0». А нельзя ли использовать этот каталог для станций, работающих на других частотах? К сожалению, нет. Попробуем изменить частоту зондирующего сигнала и посмотрим, что получится. Для гладкой цели характер радиолокационного портрета при небольшом изменении частоты практически не меняется. Число максимумов остается тем же, разве что их амплитуда и расположение слегка изменяется. А вот для целей сложной конфигурации даже незначительное изменение частоты радиолокационного сигнала может резко изменить портрет. И число максимумов, и их взаимное расположение, и их величина— все станет другим. Так что для каждой частоты приходится составлять свои каталоги.

А как представляют себе специалисты использование такого каталога, когда им нужно опознать цель? Иностранные специалисты различают два случая.

Пусть цель не стабилизирована, то есть кувыркается со скоростью, скажем, 10 оборотов в минуту. Тогда, фиксируя величину отраженного сигнала, за минуту можно записать 10 полных радиолокационных портретов. На ленте с устройства для записи сигнала получается цепочка последовательно записанных портретов. Эксперты рекомендуют выбрать тот портрет, который получился лучше всего[21], и затем обратиться к каталогу.

Если один из имеющихся в каталоге портретов точно совпадает с сигналом, то значит именно эта цель попала в поле зрения радиолокационной станции. Но так бывает не всегда. Точнее говоря, почти всегда бывает не так. Реально снятый портрет чаще всего не совпадает в точности ни с одним из эталонных. По общему характеру он очень похож вот на этот, но на нем три лишних пичка. Эти пички имеются на другом эталонном портрете, но зато его главный максимум уполз влево. В печати описывается несколько критериев идентификации эталонных реальных портретов, но все они допускают наличие неопределенности. Выбирая самый похожий портрет, можно допустить ошибку. В наихудшем случае реально снятый портрет одинаково похож на два эталона сразу. Тут остается сказать, что цель больше всего похожа на эталонный № 14 и № 27, а какой именно объект наблюдается неизвестно. Специалисты по теории вероятности предлагают в таких случаях бросать монетку или игральную кость. Эти беспристрастные судьи и определяют, какая цель наблюдается. А если будет ошибка? Ничего не поделаешь, приходится смириться.

Почему же это происходит? Если не учитывать неполадки самой станции, то остаются две главные причины. Первая — уже знакомый нам шум. Это он может приписать к портрету лишние пички или срезать закономерный максимум. Методы борьбы с ним уже известны. Вторая причина такова. Траектория объекта относительно радиолокационной станции может быть расположена так, что реальный портрет снимается под другим ракурсом, чем эталонный. Это похоже на попытку узнать человека в профиль, имея только его фотографию в фас. Как считают зарубежные специалисты, с этой весьма сложной задачей может справиться только вычислительная машина, да и то только в том случае, если известны характер кувыркания и его форма. Тогда в ряде случаев можно получить портрет цели в нужной нам плоскости и произвести опознавание цели.

Значительно труднее опознать цель, если она стабилизирована. Представьте себе, что Вы попали в автомобильный салон или в павильон машиностроения на ВДНХ. Перед Вами на круглых подставках вращаются сверкающие свежим лаком новенькие автомобили. За один оборот подставки можно, не сходя с места, осмотреть интересующую Вас машину со всех сторон. Это аналог кувыркающейся цели. Ну а теперь встаньте на обочине шоссе и понаблюдайте за проходящими машинами. Приближающийся автомобиль Вы видите только спереди, удаляющийся — только сзади. Когда автомобиль проносится мимо, можно успеть увидеть одну боковую сторону. Вот это аналог стабилизированной цели.

Чтобы получить портрет такой цели, станция должна наблюдать за ней очень долгое время, да и в этом случае не всегда получается полный портрет. Проводить опознавание цели становится очень трудно. Полученный отрезок портрета может быть похож на различные участки разных эталонных портретов. Больше неопределенность, больше вероятность ошибки. Для исправления положения можно использовать данные, полученные со стороны. В одном из специальных иностранных журналов предлагается изучать траекторию цели, тогда можно отбросить эталонные портреты целей, имеющих другие траектории. Есть и другие вспомогательные методы. Но и при таких ухищрениях опознавание стабилизированных целей, по мнению зарубежных специалистов, менее надежно, чем опознавание кувыркающихся объектов. Это обстоятельство — еще один аргумент в пользу применения стабилизированных целей (головных частей ракеты и спутников).

Рассматривали иностранные специалисты и такую задачу. Полученный портрет абсолютно не похож ни на один из эталонных. Значит появилась новая цель, которая еще не попала в каталог. Занесем ее пока условно. Встретив эту цель в следующий раз, мы уже «узнаем» нашу знакомую «незнакомку». И правда, незнакомка, так как по существу мы о ней ничего не знаем, но даже простая регистрация пролета цели по той или иной траектории иногда может иметь большое значение. В космическое пространство несущественных объектов не запускают — дорогое удовольствие. Так что и такое опознавание приносит пользу.

Вот, в общих чертах мы и познакомились, как специалисты пытаются опознавать цели по отраженным от них радиолокационным сигналам. Конечно, рассказ получился не очень полный и подробный. Но в популярной книжке и не обязательно разбирать подробности, а основные идеи, подсказывающие пути решения этой сложной задачи, здесь приведены.

Вы знаете еще не все

Ну вот и последняя глава. Пора прощаться. Остается утешаться тем, что рано или поздно всем предстоит встреча с героиней книги. Это, по-видимому, уже не надо доказывать. Да и книг по радиолокации, серьезных и популярных, выпускается сейчас очень много. Какая-нибудь обязательно попадет в руки любознательного читателя.

Есть и еще одна причина для грусти. Любая научно-популярная книга, в которой приводятся конкретные примеры самых последних достижений науки и техники, в наше время очень быстро устаревает. Выражения «уникальная станция», «удивительный радиолокатор» и так далее по отношению к приведенным здесь станциям через несколько лет будут звучать по меньшей мере странно. Бурный прогресс радиолокационной техники не оставляет в этом никаких сомнений.

Есть, правда, надежда, что и в будущих значительно более совершенных радиолокаторах в той или иной степени будут использоваться те же принципы работы основных устройств, методы обработки данных и алгоритмы функционирования. В таком случае эта книжка может принести некоторую пользу и будущему читателю.

Хочется сказать несколько слов тем, кого эта книга впервые познакомила с радиолокацией. Не надо обольщаться! Не считайте, что Вы уже знаете о ней все. Вспомните сколько раз рассказ прерывался на полуслове, сколько раз встречались фразы: «существуют и другие методы…», «известны другие пути решения этих проблем…» и т. д. Если подчеркнуть такие места красным карандашом, то книжка станет похожа на диктант вечного двоечника или на учебник, над которым поработал трудяга-студент. Это лишь элементарное введение в радиолокацию, первое знакомство с кругом вопросов, которыми она занимается. Каждый из них служит темой глубоких научных исследований и ожесточенной полемики на страницах научно-технических журналов и на конференциях.

Насколько мне помнится, никаких ограничений на использование таблиц в книге не накладывалось. Воспользуемся этим и приведем небольшую табличку.

Таблица первая и последняя.

В левой ее части перечислены некоторые разделы теории радиолокации, в правой — некоторые основные научные дисциплины, без знания которых невозможно не только развитие, но даже и усвоение данного раздела. Кроме того, любому современному специалисту просто необходимо умение программировать и вести расчеты на вычислительной машине, трудолюбие и, далеко не в последнюю очередь, чувство юмора.

Так что не спешите в отделы кадров тех институтов и предприятий, которые занимаются радиолокацией, если Ваш багаж состоит только из сведений, почерпнутых на страницах этой книжки. Без серьезной подготовки за современную радиолокацию браться не стоит. А дело очень интересное и нужное. И не пугайтесь таблицы! Ведь в конце концов сейчас для работы в любой области науки и техники нужно знать не меньше.

Да, и еще вот что. Мне почти никогда не приходилось встречать разочаровавшихся в своем деле специалистов по радиолокации. Поэтому, до свидания, читатель!

Примечания

1

Вильямс Дж. Д. Совершенный стратег или букварь по теории статистических игр. Пер. с англ. под ред. И. А. Полетаева. Изд-во «Советское радио», 1960. // Хургин Я. Ну и что? Изд-во «Молодая гвардия», 1967.

2

По имени ученого, который впервые заметил и описал этот эффект, он называется эффектом Допплера.

3

«После прочтения — сжечь» — английский.

4

«Перед прочтением — сжечь» — английский.

5

С историей развития советской радиолокации можно познакомиться по книге, написанной одним из инициаторов и организаторов первых исследований и разработок по радиолокации для зенитной артиллерии генерал-лейтенантом М. М. Лобановым «Из прошлого радиолокации» (Воениздат, 1969). Много интересных фактов можно найти и в книге И. Радунской «Аксель Берг». (Изд-во «Молодая Гвардия», 1971).

6

Эта классификация, как и всякая другая, весьма условна. Автор вполне допускает, что можно было выбрать и более удачную.

7

«Вечерняя Москва», 1971, 19 января.

8

Честнов Ф. Дальнозоркое эхо. Изд-во ДОСААФ, 1968. Автор часто пользуется примерами из этой книги.

9

«За рубежом», 1970, № 11.

10

Многие, весьма авторитетные специалисты, считают приведенный пример образцом рекламы, а не объективной информацией.

11

«Неделя», 1970, 2 августа.

12

«Известия», 1971, 6 февраля.

13

У Вас, уважаемый читатель, расположение отдельных элементов в этом списке, да и сам список могут быть другими. Не надо удивляться, ведь одинаковых людей на бывает.

14

Миниатюризация — создание элементов схемы и отдельных блоков очень малых размеров.

15

Мы рассматриваем импульсную радиолокационную станцию, которая излучает сигнал в течение короткого интервала времени. Затем следует интервал большей длительности, в течение которого принимаются отраженные эхо-сигналы. Но сам по себе одиночный импульс может иметь сложную внутреннюю структуру (смотри далее ФМ и ЧМ сигналы) и состоять из подымпульсов (более коротких импульсов). Поэтому его чаще всего называют сигналом, а подымпульсы — просто импульсами. Для увеличения разрешения требуется сжимать сигнал до длительности отдельного импульса (или, что то же самое, сжимать импульс до длительности подымпульса).

16

Как известно, электроны в металлах чувствуют себя достаточно свободно, перемещаясь в различных направлениях. Чем выше температура элемента схемы, тем интенсивнее это хаотическое движение электронов. Поскольку движение электронов является по сути дела электрическим током, то хаотическое случайное движение приводит к появлению случайного сигнала, который и называют тепловым шумом.

17

По данным работы Ильфа И. и Петрова Е. «Золотой теленок», это соответствует возрасту 38 лет.

18

Материал взят из книги Жерарден Л. Бионика. Изд-во «Мир», 1971.

19

Жерарден Л. Бионика Изд-во «Мир», 1971.

20

В этой главе мы приводим данные иностранной печати.

21

Поскольку пока мы не располагаем данными о четком критерии отбора, нельзя гарантировать выбор лучшего портрета.

Content

Михаил Размахнин
РАДИОЛОКАЦИЯ БЕЗ ФОРМУЛ, НО С КАРТИНКАМИ

Предисловие

Пояснение

Часть первая ДАВАЙТЕ ПОЗНАКОМИМСЯ

Что такое радиолокация?

Как радиолокация попала в армию

Радиолокация и летчики

Радиолокация и ракетчики

Плавающие радиолокационные станции

Общевойсковая радиолокация

Радиолокация и наука

Радиолокации пора осваивать космос

Она всегда рядом с каждым из нас

Как я ездил в Гренландию

Часть вторая КАК ОНА РАБОТАЕТ

С кем бы познакомиться поближе

Как оценивают знакомую?

Где же она?

Как это у нее получается? I

Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?

Как это у нее получается? II

Можно сделать иначе

О тех, кто рядом

Как найти цель, послать сигнал и получить ответ

Кажется разобрались, что к чему

Как цели маскируются

И как их все-таки узнают?

Вы знаете еще не все

Примечания