Когда вы стоите на краю обрыва, а перед вами, за рекой, стеной поднимается крутой берег, заросший густым лесом, трудно удержаться, чтобы не крикнуть или громко не хлопнуть в ладоши. В ответ раздается эхо. То что вы делаете, называется звуколокацией.
Звук, отраженный от противоположного берега, запаздывает во времени и искажается, часть его накладывается на посылаемый звук, и начало фразы принять (услышать) уже нельзя, а конец фразы звучит вполне отчетливо. Налицо многие проблемы, встречающиеся в радиолокации.
Звуколокация.
О принципах радиолокации вы, читатель, уже наверняка немало наслышаны. Мощный луч радиолокационного передатчика фокусируется большой антенной в направлении исследуемого объекта цели, как говорят специалисты по радиолокации. Разумеется, это название пошло от военных, для которых, собственно, и создавались первые радиолокаторы. Теперь уже у радиолокатора (радара) появилась масса мирных профессий, о которых мы еще поговорим. Итак, «цель» облучена зондирующим сигналом (привыкайте к радиолокационной терминологии!). Целью может быть самолет, корабль, ракета, поверхность Земли или другой планеты. Радиоволны рассеиваются целью, а часть их приходит назад к радару, где и регистрируется приемником. Итак, первая задача радиолокации — обнаружение цели решена. Вторая задача сложнее надо определить координаты цели. На уроках физики и математики вас учили, что прежде, чем измерять координаты, надо задать систему координат. Разные радары работают в различных системах координат. Сразу становится ясно, что чем «тоньше» луч радара, т. е. чем уже диаграмма направленности его антенны, тем точнее можно определить координаты цели.
Система координат обзорной РЛС:
α — азимут; β — угол места: R — наклонная дальность
Для слежения за целью антенну надо поворачивать. Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирования) пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС по строго определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор. Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения антенна все время направлена на выбранную цель и специальные следящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.
Третья координата — дальность-определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Так и хочется сказать, что запаздывание сигнала очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, равной 300000 км/с, или 3·108 м/с. Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание составит всего 20 мкс (20·10-6 с). Такой результат получился из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Но вот при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время уж никак не назовешь малым!
И еще один аспект этой интереснейшей техники. Если посланный сигнал будет «путешествовать» в просторах космоса целых 11 мин, насколько же он ослабнет! И как выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов космического происхождения? Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физических соображениях. Их мы уже рассматривали в гл. 4. Если в какой-то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R, будет пропорционален P/4πR2. В знаменателе стоит площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при обычной радиосвязи мощность, принятая нами, обратно пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон — закон сферической расходимости пучка энергии выполняется всегда при распространении волн в свободном пространстве.
Поток энергии через единичную площадку обратно пропорционален квадрату расстояния.
Даже если мы сконцентрируем излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз (этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, сокращенно КНД), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. В радиолокации дело обстоит значительно хуже. Облучаемая на расстоянии R цель сама рассеивает энергию по всем направлениям. И если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в 2 раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Вот какой дорогой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС!
Приведу несколько конкретных примеров. Возьмем небольшую аэродромную РЛС с антенной площадью 10 м2. И пусть она наблюдает небольшой самолет с эффективной поверхностью рассеяния[2] 5 м2 на длине волны 10 см. Работоспособность такой РЛС сейчас ни у кого не вызывает сомнений. Однако расчет показывает, что отраженный сигнал, приходящий в приемник при удалении самолета на 80 км, в этом случае на 16 порядков слабее излучаемого! Как говорят инженеры, потери сигнала при локации составляют 10-16. или 160 дБ. Но их это не пугает. При излучаемой мощности 10 кВт чувствительность приемника должна составить 10-12 Вт. Такие приемники научились делать еще в годы второй мировой войны!
Другой пример. Заставим нашу РЛС осуществлять локацию Марса. Дело это, разумеется, совершенно безнадежное, если не принять специальных мер. Увеличим площадь антенны до 1000 м2. И даже в этом случае потери сигнала на трассе составят 250 дБ, или 1025. Понадобятся сверхмощный передатчик и особые методы приема сигналов, уровень которых лежит гораздо ниже уровня собственных шумов приемника. К одному из таких методов относится когерентное накопление сигнала. Сеансы локации проводятся много раз, и отраженные сигналы суммируются. Амплитуда суммарного сигнала после суммирования n посылок возрастает в n раз, тогда как амплитуда статистически независимых шумов — только в √n раз. При достаточно длительном времени накопления удается выделить чрезвычайно слабые отраженные сигналы. В первых опытах по локации Марса время накопления составляло 8.5 ч.
Существует великое множество радиолокаторов. Это и только что упомянутый «планетный», представляющий собой уникальный комплекс сооружений со сверхмощными передатчиками и ЭВМ для обработки сигналов, увенчанный полноповоротной антенной-чашей диаметром 75 м (только представьте себе грандиозность этого сооружения!). Это и миниатюрный, почти карманный радар работника автомобильной инспекции, позволяющий в считанные секунды определить скорость движущегося по шоссе автомобиля. Радарами оснащены теперь все морские и речные суда, все самолеты. Жизнь и деятельность в самых отдаленных уголках страны даже трудно представить себе без радаров.
Когда во время экспедиции гидрографическое судно шестой день не выходило из тумана в районе Курильских островов и Камчатки, я никак не мог понять, как же эти места осваивали и исследовали первопроходцы? Каждую ночь, каждый туманный день они должны были быть настороже — не послышится ли по носу судна плеск воды, накатывающейся на рифы. А в случае крушения помощи ждать неоткуда места не заселены, а карт и лоций нет — именно первопроходцы их и составляли.
2
Эффективной поверхностью рассеяния называют площадь всенаправленного переизлучателя, создающего такой же отраженный сигнал, как и реальный объект.