Текст книги "Радиолокация без формул, но с картинками"
Автор книги: Михаил Размахин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)
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]18
Материал взят из книги Жерарден Л. Бионика. Изд-во «Мир», 1971.
[Закрыть], 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]19
Жерарден Л. Бионика Изд-во «Мир», 1971.
[Закрыть].
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]20
В этой главе мы приводим данные иностранной печати.
[Закрыть]. 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.
