Текст книги "Радиолокация без формул, но с картинками"
Автор книги: Михаил Размахин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 9 страниц)
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]17
По данным работы Ильфа И. и Петрова Е. «Золотой теленок», это соответствует возрасту 38 лет.
[Закрыть] 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».
