Текст книги "Радиолокация без формул, но с картинками"

Автор книги: Михаил Размахнин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 7 страниц)

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^[19]. 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.

И как их все-таки узнают?

Только что мы познакомились с иностранными данными о методах радиолокационной маскировки. Если рассказ был убедительным (автор во всяком случае к этому стремился), то читатель может подумать, что наблюдать за целями с помощью радиолокатора – задача бесперспективная. Ведь среди помех, шумов и ложных целей заметить полезный сигнал, отраженный от истинной цели, очень трудно, а узнать по этому сигналу, с какой именно целью мы имеем дело, по-видимому, просто невозможно.

Но превратив читателя в пессимиста, автор все-таки берется доказать, что дело обстоит не так уж плохо. И действительно, станции-то работают и обнаруживают цели. Сейчас мы и расскажем, используя и здесь данные зарубежной печати, о методах опознавания целей.

Как вы можете узнать при встрече человека, которого никогда раньше не видели? Лучше всего, если у Вас есть его портрет, фотокарточка или хотя бы словесный портрет, который умеют составлять криминалисты. В таком словесном портрете перечисляются основные черты разыскиваемого человека, например форма носа, разрез и цвет глаз, овал лица и т. д.

Вот и цели можно узнавать по их портретам. Правда, это не живописный портрет и даже не фотокарточка. Для опознания цели нам нужен специфический «радиолокационный портрет». Создают его следующим образом. Берут какую-нибудь цель и везут на специальный полигон. Там ее закрепляют на подставке и поворачивают в разные стороны. В каждом положении цели включают радиолокационную станцию и записывают отраженный сигнал. А его величина сильно зависит от угла, под которым мы облучаем цель. Для некоторых углов отраженный сигнал велик, для других мал. Самый слабый отраженный сигнал получается при наблюдении «с носа», когда цель повернута к нам своим заостренным концом. А если цель развернуть так, что ее боковая поверхность будет перпендикулярна направлению наблюдения, то отраженный сигнал будет максимальным.

Нарисуем теперь прямоугольную систему координат и будем откладывать по горизонтальной оси угол поворота цели, а по вертикальной – величину отраженного сигнала. Получим волнообразную кривую, у которой будут и широкие плавные подъемы, и узкие выбросы, и глубокие провалы. Это диаграмма обратного отражения цели, или ее радиолокационный портрет. Можно использовать и другую систему координат – круговую или полярную Тогда угол поворота нужно откладывать по дуге окружности, а величину отраженного сигнала по радиусу, соответствующему этому углу. При этом мы получим круговую диаграмму обратного отражения, которая будет иметь вид замкнутой кривой. Однако чередование максимумов и минимумов на ней, характерное именно для этой цели, сохранится. Такая круговая диаграмма напоминает цветок. Если цель гладкая, как например головная часть ракеты, то диаграмма имеет 3–4 больших лепестка и похожа на цветок мака. У сложных целей, таких как самолет или спутник, которые имеют много выступающих элементов, антенн, острых граней и углов, радиолокационный портрет скорее всего напоминает ромашку.

Итак, портрет готов. Точно так же можно снять портреты и других радиолокационных целей. Если цель очень велика или ее нельзя привезти на полигон, то портрет можно снять и по модели. Делают точную уменьшенную копню цели и исследуют ее на полигоне. Правда, при этом и длина волны радиолокатора должна быть уменьшена во столько же раз, во сколько мы уменьшили цель. Тогда портрет получается точно таким же, как если бы мы наблюдали саму цель.

Теперь собираем все портреты в альбом и пишем на обложке: «Каталог наблюдаемых объектов для N-ской радиолокационной станции, работающей на частоте F_о». А нельзя ли использовать этот каталог для станций, работающих на других частотах? К сожалению, нет. Попробуем изменить частоту зондирующего сигнала и посмотрим, что получится. Для гладкой цели характер радиолокационного портрета при небольшом изменении частоты практически не меняется. Число максимумов остается тем же, разве что их амплитуда и расположение слегка изменяется. А вот для целей сложной конфигурации даже незначительное изменение частоты радиолокационного сигнала может резко изменить портрет. И число максимумов, и их взаимное расположение, и их величина – все станет другим. Так что для каждой частоты приходится составлять свои каталоги.

А как представляют себе специалисты использование такого каталога, когда им нужно опознать цель? Иностранные специалисты различают два случая.

Пусть цель не стабилизирована, то есть кувыркается со скоростью, скажем, 10 оборотов в минуту. Тогда, фиксируя величину отраженного сигнала, за минуту можно записать 10 полных радиолокационных портретов. На ленте с устройства для записи сигнала получается цепочка последовательно записанных портретов. Эксперты рекомендуют выбрать тот портрет, который получился лучше всего ^[20], и затем обратиться к каталогу.

Если один из имеющихся в каталоге портретов точно совпадает с сигналом, то значит именно эта цель попала в поле зрения радиолокационной станции. Но так бывает не всегда. Точнее говоря, почти всегда бывает не так. Реально снятый портрет чаще всего не совпадает в точности ни с одним из эталонных. По общему характеру он очень похож вот на этот, но на нем три лишних пичка. Эти пички имеются на другом эталонном портрете, но зато его главный максимум уполз влево. В печати описывается несколько критериев идентификации эталонных реальных портретов, но все они допускают наличие неопределенности. Выбирая самый похожий портрет, можно допустить ошибку. В наихудшем случае реально снятый портрет одинаково похож на два эталона сразу. Тут остается сказать, что цель больше всего похожа на эталонный № 14 и № 27, а какой именно объект наблюдается неизвестно. Специалисты по теории вероятности предлагают в таких случаях бросать монетку или игральную кость. Эти беспристрастные судьи и определяют, какая цель наблюдается. А если будет ошибка? Ничего не поделаешь, приходится смириться.

Почему же это происходит? Если не учитывать неполадки самой станции, то остаются две главные причины. Первая – уже знакомый нам шум. Это он может приписать к портрету лишние пички или срезать закономерный максимум. Методы борьбы с ним уже известны. Вторая причина такова. Траектория объекта относительно радиолокационной станции может быть расположена так, что реальный портрет снимается под другим ракурсом, чем эталонный. Это похоже на попытку узнать человека в профиль, имея только его фотографию в фас. Как считают зарубежные специалисты, с этой весьма сложной задачей может справиться только вычислительная машина, да и то только в том случае, если известны характер кувыркания и его форма. Тогда в ряде случаев можно получить портрет цели в нужной нам плоскости и произвести опознавание цели.

Значительно труднее опознать цель, если она стабилизирована. Представьте себе, что Вы попали в автомобильный салон или в павильон машиностроения на ВДНХ. Перед Вами на круглых подставках вращаются сверкающие свежим лаком новенькие автомобили. За один оборот подставки можно, не сходя с места, осмотреть интересующую Вас машину со всех сторон. Это аналог кувыркающейся цели. Ну а теперь встаньте на обочине шоссе и понаблюдайте за проходящими машинами. Приближающийся автомобиль Вы видите только спереди, удаляющийся – только сзади. Когда автомобиль проносится мимо, можно успеть увидеть одну боковую сторону. Вот это аналог стабилизированной цели.

Чтобы получить портрет такой цели, станция должна наблюдать за ней очень долгое время, да и в этом случае не всегда получается полный портрет. Проводить опознавание цели становится очень трудно. Полученный отрезок портрета может быть похож на различные участки разных эталонных портретов. Больше неопределенность, больше вероятность ошибки. Для исправления положения можно использовать данные, полученные со стороны. В одном из специальных иностранных журналов предлагается изучать траекторию цели, тогда можно отбросить эталонные портреты целей, имеющих другие траектории. Есть и другие вспомогательные методы. Но и при таких ухищрениях опознавание стабилизированных целей, по мнению зарубежных специалистов, менее надежно, чем опознавание кувыркающихся объектов. Это обстоятельство – еще один аргумент в пользу применения стабилизированных целей (головных частей ракеты и спутников).

Рассматривали иностранные специалисты и такую задачу. Полученный портрет абсолютно не похож ни на один из эталонных. Значит появилась новая цель, которая еще не попала в каталог. Занесем ее пока условно. Встретив эту цель в следующий раз, мы уже «узнаем» нашу знакомую «незнакомку». И правда, незнакомка, так как по существу мы о ней ничего не знаем, но даже простая регистрация пролета цели по той или иной траектории иногда может иметь большое значение. В космическое пространство несущественных объектов не запускают – дорогое удовольствие. Так что и такое опознавание приносит пользу.

Вот, в общих чертах мы и познакомились, как специалисты пытаются опознавать цели по отраженным от них радиолокационным сигналам. Конечно, рассказ получился не очень полный и подробный. Но в популярной книжке и не обязательно разбирать подробности, а основные идеи, подсказывающие пути решения этой сложной задачи, здесь приведены.

Вы знаете еще не все

Ну вот и последняя глава. Пора прощаться. Остается утешаться тем, что рано или поздно всем предстоит встреча с героиней книги. Это, по-видимому, уже не надо доказывать. Да и книг по радиолокации, серьезных и популярных, выпускается сейчас очень много. Какая-нибудь обязательно попадет в руки любознательного читателя.

Есть и еще одна причина для грусти. Любая научно-популярная книга, в которой приводятся конкретные примеры самых последних достижений науки и техники, в наше время очень быстро устаревает. Выражения «уникальная станция», «удивительный радиолокатор» и так далее по отношению к приведенным здесь станциям через несколько лет будут звучать по меньшей мере странно. Бурный прогресс радиолокационной техники не оставляет в этом никаких сомнений. Есть, правда, надежда, что и в будущих значительно более совершенных радиолокаторах в той или иной степени будут использоваться те же принципы работы основных устройств, методы обработки данных и алгоритмы функционирования. В таком случае эта книжка может принести некоторую пользу и будущему читателю.

Хочется сказать несколько слов тем, кого эта книга впервые познакомила с радиолокацией. Не надо обольщаться! Не считайте, что Вы уже знаете о ней все. Вспомните сколько раз рассказ прерывался на полуслове, сколько раз встречались фразы: «существуют и другие методы…», «известны другие пути решения этих проблем…» и т. д. Если подчеркнуть такие места красным карандашом, то книжка станет похожа на диктант вечного двоечника или на учебник, над которым поработал трудяга-студент. Это лишь элементарное введение в радиолокацию, первое знакомство с кругом вопросов, которыми она занимается. Каждый из них служит темой глубоких научных исследований и ожесточенной полемики на страницах научно-технических журналов и на конференциях.

Таблица первая и последняя

Выбор формы сигнала

Математический анализ, Теория функций, Теория функций комплексного переменного, Математическая логика, Теория вероятностей, Теория информации, Теория кодов, Теория радиотехники и т. д.

Определение характеристик станции

Теория распространения радиоволн, Физика ионосферы, Теория вероятностей, Электродинамика, Теория информации, Теория матриц, Статистическая радиофизика и т. д.

Антенны

Синтез антенн, Теория поля, распространение радиоволн, Электродинамика, Механика, Физика твердого тела, Сопротивление материалов и т. д.

Обработка сигналов и обработка информации

Статистическая радиотехника, Статистическая радиофизика, Теория вероятностей, Теория информации, Теория проверки статистических гипотез, Теория распознавания образцов, Оптика, Инфракрасная техника, Телевидение и т. д.

Насколько мне помнится, никаких ограничений на использование таблиц в книге не накладывалось Воспользуемся этим и приведем небольшую табличку. В левой ее части перечислены некоторые разделы теории радиолокации, в правой – некоторые основные научные дисциплины, без знания которых невозможно не только развитие, но даже и усвоение данного раздела. Кроме того, любому современному специалисту просто необходимо умение программировать и вести расчеты на вычислительной машине, трудолюбие и, далеко не в последнюю очередь, чувство юмора.

Так что не спешите в отделы кадров тех институтов и предприятий, которые занимаются радиолокацией, если Ваш багаж состоит только из сведений, почерпнутых на страницах этой книжки. Без серьезной подготовки за современную радиолокацию браться не стоит. А дело очень интересное и нужное. И не пугайтесь таблицы! Ведь в конце концов сейчас для работы в любой области науки и техники нужно знать не меньше.

Да, и еще вот что. Мне почти никогда не приходилось встречать разочаровавшихся в своем деле специалистов по радиолокации. Поэтому, до свидания, читатель!

notes

Примечания

1

Вильямс Дж. Д. Совершенный стратег или букварь по теории статистических игр. Пер. с англ. под ред. И. А. Полетаева. Изд-во «Советское радио», 1960.

2

По имени ученого, который впервые заметил и описал этот эффект, он называется эффектом Допплера.

3

«После прочтения – сжечь» – английский.

4

«Перед прочтением – сжечь» – английский.

5

С историей развития советской радиолокации можно познакомиться по книге, написанной одним из инициаторов и организаторов первых исследований и разработок по радиолокации для зенитной артиллерии генерал-лейтенантом М. М. Лобановым «Из прошлого радиолокации» (Воениздат, 1969). Много интересных фактов можно найти и в книге И. Радунской «Аксель Берг». (Изд-во «Молодая Гвардия», 1971).

6

Эта классификация, как и всякая другая, весьма условна. Автор вполне допускает, что можно было выбрать и более удачную.

7

«Вечерняя Москва», 1971, 19 января.

8

Честнов Ф. Дальнозоркое эхо. Изд-во ДОСААФ, 1968. Автор часто пользуется примерами из этой книги.

9

«За рубежом», 1970, № 11.

10

Многие, весьма авторитетные специалисты, считают приведенный пример образцом рекламы, а не объективной информацией.

11

«Неделя», 1970, 2 августа.

12

«Известия», 1971, 6 февраля.

13

У Вас, уважаемый читатель, расположение отдельных эле ментов в этом списке, да и сам список могут быть другими. Не надо удивляться, ведь одинаковых людей на бывает.

14

Миниатюризация – создание элементов схемы и отдельных блоков очень малых размеров.

15

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.

16

По данным работы Ильфа И. и Петрова Е. «Золотой теленок», это соответствует возрасту 38 лет.

17

Материал взят из книги Жерарден Л. Бионика. Изд-во «Мир», 1971.

18

Жерарден Л. Бионика Изд-во «Мир», 1971.

19

В этой главе мы приводим данные иностранной печати.

20

Поскольку пока мы не располагаем данными о четком критерии отбора, нельзя гарантировать выбор лучшего портрета.