Радиолокация без формул, но с картинками

Однако по мере развития техники необходимые устройства были в конце концов разработаны и у специалистов возродился интерес к согласованным фильтрам. К началу 50-х годов почти во всех ведущих научно-исследовательских лабораториях технически развитых стран уже проводились исследования по возможности внедрения согласованной фильтрации в практику.

Постепенно появлялись макеты, а затем и рабочие образцы станций, в которых использовались согласованные фильтры. Они, как говорится, пошли в жизнь. Тут выяснилось еще одно интересное свойство таких фильтров. В некоторых случаях форма сигналов на выходе согласованного фильтра изменялась по сравнению с формой входного сигнала. Амплитуда сигнала возрастала, зато сам сигнал укорачивался. Правда, это происходило лишь в тех случаях, когда используемые сигналы имели достаточно большую базу (базой сигнала называют число, равное произведению длительности на занимаемую им полосу частот). Так вот, чем больше была база сигнала, тем сильнее он укорачивался и тем выше поднимался пик амплитуды над уровнем шума. Если бы нас интересовало сохранение формы принятого сигнала, то мы сочли бы этот эффект чрезвычайно вредным и постарались бы от него избавиться. Но поскольку для нас важно лишь обнаружение сигнала, то есть установление самого факта его существования, то поднятие пика сигнала над уровнем шума мы всемерно приветствуем.

Вы уже, вероятно, заметили, что в тексте то и дело встречаются слова «шум» и «помеха»? Эти слова, конечно, известны каждому читателю. Но их точное значение в применении к радиолокации нуждается в разъяснении. Поэтому мы на некоторое время прервем плавный ход изложения и познакомимся с этими понятиями поближе.

Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?

Итак, поговорим о шумах. Понятие о шуме есть у каждого читателя, правда, у каждого свое. Один под шумом понимает визг и скрежет трамвая, проходящего ночью под его окнами, другой — равномерный гул голосов, мешающий читать лекцию, и так далее. Во всех этих примерах есть одна общая черта. Здесь в качестве шума выступает звуковой процесс, воздействующий на наши слуховые органы. Но наблюдение и обработка сигналов производится в радиолокационной станции в абсолютной тишине. Что же здесь является шумом, мешающим наблюдению сигнала?

Началось все, по-видимому, с радистов, которые вылавливали морзянку из свиста, завываний, тресков, шорохов, щелчков и других звуков, раздававшихся в наушниках и мешавших приему. Для них это был шум в привычном для нас смысле слова. В радиолокации, которая развивалась на базе радиотехники и заимствовала используемые в ней понятия, этот термин сохранился. Его стали использовать для обозначения любого случайного процесса, мешающего приему сигнала. Если обнаружение сигнала выполняет оператор, наблюдающий за экраном индикатора, то для него шумом будут случайные выбросы луча развертки, образующие бахрому. Когда она невелика по амплитуде, то ее ласково называют «травкой» (посмотрите на рисунок на стр. 84. Похоже, не правда ли?). Если случайные выбросы достаточно высоки, а отраженный сигнал слаб, то могут произойти два неприятных события. Во-первых, мы можем не заметить слабый полезный сигнал среди шумовых выбросов. Это пропуск цели со всеми вытекающими отсюда последствиями. Какими? Пусть каждый читатель представит себе в меру своей фантазии.

Во-вторых, один из сильных шумовых выбросов мы можем принять за полезный отраженный сигнал и доложить об этом по команде. В этом случае произойдет ложная тревога. Событие тоже не из приятных. Правда, опытные операторы иногда могут обнаруживать сигналы, уровень которых ниже уровня шума. Дело в том, что шумовые импульсы случайны, они то появляются, то исчезают, а сигнал, даже слабый, в некотором роде стабилен и появляется в одном и том же месте (если не учитывать перемещения цели). Вот по этому признаку его и обнаруживает опытный оператор. В этом смысле операторы с большим стажем как бы представляют собой весьма неплохие фильтрующие системы. Однако надежность такого обнаружения все-таки мала.

Откуда же берется эта травка и что заставляет луч развертки метаться вверх и вниз вместо того, чтобы спокойно двигаться по горизонтали? В наше время эфир в любой точке земного шара насыщен электромагнитными излучениями. Радиоволны, возникающие при грозовых разрядах в атмосфере или во время полярных сияний, при работе различных электрических систем от мощных энергоустановок до систем зажигания автомобилей (именно этот случай и показан на рисунке), передачи мощных вещательных станций и сигналы коротковолновых передатчиков радиолюбителей — вот далеко не полный перечень виновников возникновения шумов и помех. Складываясь, все эти сигналы создают на антенне шумовое напряжение, величина которого случайно меняется во времени. В какой-то момент интенсивность посторонних сигналов на антенне будет мала и луч развертки практически не отклонится от горизонтальной линии; в следующий момент интенсивность шума возрастет и луч резко отклонится от горизонтали. Так мы и получаем «травку» на экране индикатора.

Существует и другой вид шума — тепловой шум в элементах схемы^[15]. Особенно заметную роль он играет во входных каскадах приемника, так как полезный сигнал слаб и тепловой шум может быть сравним с ним по величине. В последующих каскадах и сигнал, и тепловой шум будут одинаково усиливаться. Поэтому чем ближе источник теплового шума ко входу приемника, тем больше каскадов усиления проходит шум и тем более вредное действие он оказывает на работу станции. Специалисты применяют все возможные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Снижение температуры уменьшает уровень теплового шума, однако полностью избавиться от него невозможно, и тепловой шум всегда вносит свой вклад в травку на экране индикатора.

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.

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 станций, 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.