Радиолокация без формул, но с картинками

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 непонятно (не забывайте, что Вы смотрите сверху!). Вы видите лишь группу футболистов. В этом случае Вы дели «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.