Текст книги "Приключения радиолуча"
Автор книги: Валерий Родиков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 23 страниц)
Ошибка другого рода – пропуск цели – тоже нежелательна. Цель есть, самолет или ракета летят, а сигнал, отраженный от них, не может превысить пороговый уровень. Почему так случилось? Причины тому могут быть разные. Например, в момент прихода сигнала так подобрались фазы, что шум подавил сигнал.
Поскольку мы имеем дело со случайными величинами: и шумом, и сигналом, то нельзя достоверно сказать, что если есть сигнал, то он обязательно превысит порог, а в его отсутствие превышения не произойдет. Мы можем говорить только о том, что эти события могут свершиться с некоторой вероятностью.
Конечно, и вероятность правильного обнаружения, и вероятность ложной тревоги зависят от порогового уровня. На вопрос, как его выбрать на все случаи жизни, единого ответа нет. Он определяется тем, что мы хотим или, говоря языком математики, тем, какой мы выбрали критерий. Можно, например, исходить из того, чтобы средний риск возможного от наших ошибок ущерба был минимален. Такой критерий называется байесовым. Есть еще критерии идеального наблюдателя, отношения правдоподобия и целый ряд других. Не будем в них углубляться – это уже область математической статистики, которая стала рабочим аппаратом проектировщиков радиосистем.
У разработчиков радаров наибольшей популярностью пользуется критерий Неймана-Пирсона. Выбранный согласно ему пороговый уровень при заданной вероятности ложной тревоги обеспечивает минимальную вероятность пропуска цели. Им пользоваться довольно удобно: не надо ломать голову, как оценить возможный ущерб от ошибок, не надо иметь предварительных данных о том, как часто появляются цели. Задаются только вероятностью ложной тревоги и ею определяется пороговый уровень, потом находят энергию сигнала, достаточную, чтобы он с требуемой вероятностью превысил порог, а остальное, как говорят, дело техники…
Сложные сигналы оказались незаменимы в такой области, как радиолокационная астрономия. Именно там нужны сигналы с большой энергией и высокой разрешающей способностью, чтобы разглядеть с помощью радара как можно больше подробностей о наших соседях по Солнечной системе.
В 60—70-х годах получены радиолокационные карты Луны, Венеры, Марса, Меркурия. Плотный облачный покров, скрывающий поверхность Венеры от оптических наблюдений, оказался прозрачным для радиоволн. Локация Венеры принесла поразительные открытия: Венера в отличие от своих собратьев по Солнечной системе вращается «наоборот», а длительность венерианских суток длиннее, чем ее год. Радиолокационные наблюдения Меркурия в 1964 году развеяли заблуждения астрономов относительно длительности его суток.
С 80-х годов прошлого века астрономы были убеждены, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, как и Луна при своем вращении вокруг Земли, и что сутки на Меркурии равны году. То есть за один оборот вокруг Солнца, который длится 88 земных суток, Меркурий совершает один оборот вокруг своей оси. Но радиолокация Меркурия показала, что за один меркурианский год он совершает полтора оборота вокруг своей оси. Астрономы-оптики отказывались верить: «Не может быть, чтобы заблуждались три поколения астрономов?!»
В 1973 году приняты радиолокационные сигналы от колец Сатурна. Такое огромное расстояние радиоволна пробегает за 2,5 часа.
Одно из самых важных применений радиолокатора в астрономии выглядит довольно скромно: измерение астрономической единицы с невиданной для оптических замеров точностью (с точностью до одной десятимиллионной). Но астрономическая единица (расстояние от Земли до Солнца) – основной масштаб астрономии, а при планировании космических полетов к другим планетам необходима именно такая точность. Например, если бы при полете советской межпланетной станции «Венера-4», впервые опустившейся в атмосферу Венеры, было использовано прежнее значение астрономической единицы, то станция «промахнулась» бы и прошла мимо планеты на расстоянии трех ее радиусов.
Систематические радиолокационные наблюдения планет Солнечной системы используются учеными для разработки единой теории планет Солнечной системы, которая в десятки, сотни раз будет точнее, чем существующая классическая теория, созданная на основе оптических измерений. Такая теория необходима для решения задач навигации межпланетных аппаратов.
Сложные сигналы используются и для связи с космическими объектами. А расстояния до них в буквальном смысле астрономические. Именно благодаря сложным сигналам при малой мощности передатчика на борту космического аппарата удается выделить глубоко сокрытые шумами послания из космических далей. Американский космический аппарат «Вояджер-2» с расстояния около трех миллиардов километров передал снимки планеты Уран. Мощность передатчика на борту «Вояджера» была 20 ватт, в месте приема она уменьшилась в 1018, или в миллиард миллиардов раз. А впереди предстоят еще съемки планеты Нептун, к которой «Вояджер» подлетит в 1989 году.
Фантастична также чувствительность устройств, принимающих сигналы из космоса, – радиотелескопов. В 1965 году на одной из научных выставок посетителю предлагали взять лежащий на столе небольшой листок бумаги. Перевернув его, посетитель знакомился с таким текстом: «Взяв со стола этот листок бумаги, вы затратили больше энергии, чем та энергия, которую за всю историю астрономии приняли все существующие в мире радиотелескопы».
СО СТОРОНЫ ВИДНЕЕ…
Радиолокация сегодня – обширная область техники, которая впитывает в себя все достижения электроники. С помощью радиолокации мы можем заглянуть не только в глубины космоса, но и в глубь Земли.
Казалось бы, какая связь между одной из самых таинственных загадок древней цивилизации майя и радаром? Историков давно занимал вопрос: каким образом удавалось прокормиться двум-трем миллионам индейцев майя в болотистых джунглях нынешних Гватемалы и Белиза в Центральной Америке, на территории которых находилось государство майя. Ведь в таких условиях не могут расти никакие зерновые культуры.
Совершенно случайно ответ был найден с помощью радара. Специалисты НАСА разработали его для изучения поверхности Венеры, а испытания проводили над Гватемалой. Радар обнаружил под густым пологом тропической зелени обширную сеть ирригационных каналов, выкопанных примерно в VIII—IX веках нашей эры. Только в Гватемальских джунглях сокрыты от глаз тысячи километров дренажных каналов.
Сегодня услугами радара пользуются археологи, и довольно успешно. Радары видят засыпанные землей фундаменты древних зданий и поселений. Радиолокационные изображения, полученные со спутника или самолета, помогают антропологам. Ведь на них бывают видны исчезнувшие реки и озера, а древние предпочитали строиться ближе к воде.
Есть радары, измеряющие толщину льда, радары-метеорологи, радары-геологи, ищущие нефть и другие полезные ископаемые. Чтобы найти воду, не обязательно бурить скважину. Ее способен заменить все тот же радар. С помощью спутниковых и самолетных радаров создаются карты поверхностных вод, контролируется влажность почв, измеряется скорость ветра над морями и океанами, определяются границы районов вечной мерзлоты… Во льдах Антарктиды самолетные радары четко фиксируют метеориты поперечником всего лишь 15—20 сантиметров, ушедшие под лед на глубину нескольких десятков метров. В период вьетнамской войны американцы использовали радары для обнаружения подземных ходов партизан Южного Вьетнама.
Трудно перечислить всю ту информацию о Земле, которую можно получить и уже получают со спутников в радиоволновом диапазоне. Чтобы дать хоть какое-то представление о тех сведениях, прибегну к фантастическому приему. Попробуем представить себя на месте космонавта-инопланетянина, органы зрения которого воспринимают излучения нижней части СВЧ-диапазона. Тогда Земля не представлялась бы нам в таком виде, как нашим космонавтам, – голубой планетой, окутанной белыми облаками с зелеными вкраплениями полей и лесов, меняющей оттенки своей палитры с изменением погоды и солнечного освещения.
И днем и ночью мы видели бы стабильную картину, одинаковую и при облачной и при ясной погоде, и в полдень и в сумерках. Мы бы четко различали горы и поля, леса и пустыни, море и сушу, реки и озера, кварталы городов с их улицами и скверами… Вода – почвенная влага, болота, реки, озера, пресный и морской лед… – предстала бы перед нами во всем своем многообразии. Мы видели бы на несколько метров в глубь пустынь, находя под тысячелетним слоем песка следы высохших рек и погребенных городов, новые, неведомые нам прежде, детали подземного рельефа.
Затем, если бы могли перестроить свой «глаз» на более высокие частоты в СВЧ-диапазоне, то наблюдали еще и водяной пар, кислород, другие компоненты земной атмосферы. Мы бы увидели кухни погоды, как зарождаются и скользят по океанским просторам тайфуны. В общем, перед нашими глазами предстала бы «живая» метеорология…
В последнее время в газетах нередко мелькают такие технические выражения: «боковая радиолокация», «радиолокатор бокового обзора», «синтезированная апертура». Эти понятия – часто синонимы.
Что же такое «синтезированная апертура»? Именно благодаря ей космические станции «Венера-15» и «Венера-16» смогли получить изображение поверхности Венеры. В течение восьми месяцев с октября 1983 года шла съемка. Радиолокационные снимки получились довольно подробными, и по ним учеными Института геохимии и аналитической химии АН СССР составлена геолого-морфологическая карта северного полушария планеты от полюса до широты 30 градусов.
Оказалось, что ее поверхность во многом напоминает земную. Там есть и горные массивы, и отдельные кратеры. Удалось также найти и самую высокую гору высотой 11,5 километра. Полученные карты свидетельствуют о том, что формирование лика планеты еще не завершилось. Возможна крупномасштабная тектоническая активность.
Как удалось радару разглядеть с высоты одной-двух тысяч километров детали поверхности размером один-два километра? Ведь для этого необходима огромная даже по земным меркам антенна – диаметром около 70 метров. Вывести на венерианскую орбиту такую громоздкую конструкцию пока еще трудно. А инженеры обошлись антенной гораздо меньшего размера – всего лишь 6 на 1,4 метра.
Понятно, что чем уже луч антенны, тем больше деталей на поверхности можно различить. Ширина же луча зависит от размера антенны и от длины волны. Чем больше ее размер и чем меньше длина волны, тем уже луч.
Большую антенну на космической станции или самолете не всегда можно разместить. У самолета, например, в подобном случае резко ухудшаются аэродинамические свойства. Чтобы не портить аэродинамику, иногда в качестве антенны приспосабливают фюзеляж самолета (такие системы также называются радиолокаторами бокового обзора). Но и тогда радиолокационным снимкам очень далеко до подробностей оптических фотографий. А длину волны тоже нельзя снижать до определенного предела, не то начнут влиять метеоусловия.
И вот в конце 50-х – начале 60-х годов возникла такая мысль – сделать большую антенну искусственно: за счет движения самолета. Идея заключалась в следующем. Небольшая антенна радара «смотрит» в сторону, перпендикулярную движению самолета. Отраженный от земли сигнал записывается в цифровое запоминающее устройство. Например, на «Венерах» запись производилась на специальную металлическую ленту. Слово «земля» для Венеры звучит несколько необычно, но понятно, что имеется в виду поверхность планеты. В процессе съемки поверхности Венеры информация записывалась в память, а затем считывалась и передавалась по радиолинии на Землю.
Чтобы получить синтезированный радиолокационный снимок, запомненные сигналы складываются когерентно, то есть с учетом их фазы, которую предварительно корректируют на основании данных о скорости космического аппарата или самолета. Эту операцию называют «фокусировкой синтезированной апертуры».
Метод синтезированной апертуры использовался в радиолокаторе, установленном на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Такие же радары были опробованы на американских челночных кораблях «Колумбия» и «Чэлленджер». На радиолокационных снимках пустыни на юге Египта четко видны русла высохших больших рек, погребенных Сахарой, и многие ранее неизвестные подповерхностные особенности рельефа. Видимо пустыня пришла сюда сравнительно недавно…
В радиоастрономии тоже нашел применение принцип синтезированной апертуры – для наблюдения за космическими источниками радиоизлучений. В этом случае она создается за счет вращения Земли вокруг своей оси.
* * *
Современный морской флот и авиация немыслимы без радиолокации. Даже первые малосовершенные радары типа «Нептун» и «Створ», которыми оборудовались торговые и пассажирские суда в 50-х годах, позволили уменьшить аварии на море в 10 раз. Сейчас радарами оборудованы все морские и многие речные суда. Благодаря радарам повысилась не только безопасность, но и скорость движения судов.
Правда, и суда, оснащенные радарами, попадают в аварии. По сводке морских аварий 1958 года половина их произошла «при участии» локатора. Можно ли считать 50 процентов моряков-операторов разгильдяями? «Нет», – ответили ученые, изучавшие этот феномен. Многие аварии произошли из-за того, что усложнились взаимоотношения между человеком и техникой. При проектировании технических устройств не принимали во внимание «человеческий фактор». Оптимальным согласованием возможностей человека и техники занялась новая наука – эргономика. Сегодня ее значение особенно возросло. О сложностях взаимоотношений человека и техники в современном мире свидетельствуют крупные аварии на энергетических предприятиях, на море, на железных дорогах…
Многие читали роман Артура Хейли «Аэропорт» и получили представление о том, сколь велика психическая нагрузка диспетчера, когда на экране радара десятки самолетов. Малейшая ошибка может обернуться катастрофой. Немудрено, что не каждый может справиться с таким тяжким бременем. Поэтому и стараются автоматизировать процесс управления воздушным движением. Одна из отечественных систем – «Старт» – может следить сразу за 36 самолетами, находящимися в зоне аэропорта, давая о них нужные данные, которые позволяют управлять движением автоматически. «Старт» повысил пропускную способность аэропорта на 60 процентов, на 15—20 процентов сократилось время пребывания самолета в воздушном пространстве аэродрома. На первый взгляд скромные цифры. Но экономисты подсчитали, что годовая экономия на каждый самолет составила 2,5 миллиона рублей.
Антенны современных аэродромных радиолокаторов и радиолокаторов противовоздушной обороны представляют собой огромные сложные сооружения, насчитывающие до нескольких тысяч элементарных излучателей. Такие антенны называются фазированными решетками. Луч в них перемещается практически мгновенно из одной точки в другую по командам ЭВМ.
В обычных зеркальных антеннах, чтобы переместить луч, надо повернуть само зеркало, а на это уходят «дорогие» секунды. В фазированных решетках луч может выписывать в пространстве сколь угодно замысловатые траектории. Там, где сложная помеховая обстановка, он задержится подольше; области пространства, где все спокойно, – осмотрит побыстрее. Иногда в шутку говорят, что с помощью современной техники радиолокации об обнаруженном самолете можно узнать все, кроме фамилии летчика. Однажды довелось видеть художественный фильм о службе локаторщиков. Помню, удивил меня один кадр. По экрану радара ползет контур самолета. Постановщики фильма, конечно, перестарались. Цель на индикаторе кругового обзора будет все-таки в виде светящейся точки или дужки. Но, в принципе, в радаре может быть получено и изображение цели.
Одну из таких систем исследовали ученые Пенсильванского университета в США. Частота сигнала в подобном радаре изменяется скачком от импульса к импульсу, ступенчато. Каждая частотная ступенька-импульс, отразившись от цели, приобретает какую-то информацию о ее внешнем облике.
Но лишь по сигналу на одной частоте ничего определенного о форме объекта сказать нельзя. А вот когда частот будет много, несколько сот, то вся совокупность принятых сигналов, определенным образом скомбинированная в приемнике, превратится в радиолокационный портрет объекта, да такой, что на нем можно различить детали, отстоящие друг от друга на полметра. Правда, для этого нужно не только разнести частоты, но и вместо одной большой антенны использовать несколько небольших, расположенных друг от друга на некотором расстоянии.
Полученный радиолокационный портрет сравнивается в ЭВМ с имеющимися в ее памяти стандартными «картинками» возможных воздушных объектов. Так происходит распознавание типа летательного аппарата.
Такой радар можно сделать и в миллиметровом диапазоне. Тогда он уместится в небольшом ящичке. Специалисты подумывают об использовании его в качестве «глаз» для ЭВМ, роботов и вместо рентгена в медицине.
Достижения радиолокации сейчас широко используются в разных областях радиоэлектроники: при создании систем навигации, телевидения, связи, в том числе радиорелейной и космической, в исследовательской аппаратуре. Так часто бывает – очень важная область техники, быстро развиваясь, становится мощным стимулятором развития целого ряда отраслей знания.
ПРИЧУДЫ РАДИОВОЛН
СКАЧУЩИЙ ПРИЗРАК НАНСАЙ-ШОТО
Поговорим теперь о загадках, а порой и курьезах, которые преподносили радиоволны и их собратья по «волновому семейству» – свет и звук. Хоть и несхожи они внешне, но проявляют себя часто одинаково.
Шла вторая мировая война. Внезапно на экране радиолокатора одного из крейсеров в Средиземном море появилась цель, находящаяся в пределах досягаемости его орудий. На вопрос о принадлежности ответа не получили. Капитан крейсера приказал открыть огонь по неопознанному кораблю. Артиллеристы палили вовсю, но безрезультатно: отметка о цели с экрана не пропадала. На крейсере ожидали ответного удара, его тоже не последовало. Цель по-прежнему оставалась неподвижной, а весь запас зарядов на крейсере уже исчерпали. Любопытство все-таки пересилило осторожность, и крейсер подошел к тому месту, где предположительно находилась цель. Перед наблюдателями простиралось бескрайнее пустынное море. И в момент, когда крейсер занял точно то место, где должен быть их таинственный «летучий голландец», отметка на экране радара вдруг исчезла.
В 1944 году американские подводные лодки вели боевые операции в японских водах. При выборе цели для атаки подлодка всплывала к самой поверхности воды, и выпустив антенну, проводила радиолокационную разведку. Очень часто на экране радара появлялись яркие точки, двигавшиеся наперерез лодке с явным намерением ее протаранить. Никакими маневрами подлодка не могла уйти от преследовавшего ее вражеского корабля. Когда столкновение казалось неминуемым, когда ожидали увидеть преследователя в перископ, яркая точка на экране исчезала, словно призрак. Его окрестили «скачущим призраком Нансай-Шото». Радиолокационные приборы, работавшие по принципу Допплера для выделения движущихся целей на фоне неподвижных предметов, оказались бессильными против таинственных сигналов. Они пропускали их на экран индикатора, словно это были эхо-сигналы от движущихся целей.
Исследование сигналов-«призраков» и причин, их вызывающих, началось в годы второй мировой войны. В военное время все, что касалось радиолокационных станций, тщательно засекречивалось, в особенности сведения о непонятных явлениях, которыми противник мог бы воспользоваться, чтобы затруднить обнаружение. Вопрос о радиолокационных «призраках» всячески замалчивался и в течение многих лет оставался лишь темой для обсуждения на закрытых совещаниях.
Американцы построили полигон для исследования «призраков» на пустынном засушливом юго-западе США. Выбор места не был случаен. Климатические условия полигона близки к условиям северо-африканских пустынь, а в Северной Африке «призраки» довольно часто обманывали операторов и вводили в заблуждение командование союзников в 1943—1944 годах во время боевых действий. Для экспериментов создали несколько опытных радиолокационных станций.
Много усилий понадобилось, чтобы установить, что призраки – это радиолокационные миражи и имеют они такую же природу, как и миражи оптические. Сейчас может показаться странным, что не додумались сразу – ведь радио и световые волны из одного электромагнитного семейства. Оказалось, что провести такую аналогию не так-то просто. Да и сами оптические миражи – явление подчас довольно сложное, в то время не до конца понятое и привлекающее ученых своей таинственностью даже в наши дни…
