Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Помешают помехи, шумы, как их называют радисты. Это «радиосигналы», рожденные хаотическим движением электронов в самой антенне приемника, радиоизлучением Солнца, Галактики, далеких звезд. Уровень всех этих шумов невелик, мы не сталкиваемся с ними, слушая земные радиостанции или телецентры. Но чрезвычайно слабый сигнал с далекой космической станции может просто утонуть в шумах, потеряться в них, как шепот на шумной улице. Усиление в этом случае не имеет никакого смысла — вместе с сигналом усиливаются шумы.
Проблема выделения слабых сигналов из шума — одна из центральных в современной радиотехнике. В числе методов, облегчающих ее решение, самый радикальный — хирургия, сужение частотного спектра сигнала. Чем уже частотные ворота канала связи, тем меньше мощность попавших в него шумов и из них легче выделить полезный сигнал.
Итак, конфликт: с одной стороны, чтобы выделить слабый сигнал из шумов, он должен быть узкополосным, с другой стороны, с помощью узкополосного сигнала много информации не передать. И разрешение конфликта, неожиданное и смелое, — орбитальный ретранслятор. Теперь от установленного на СА сравнительно маломощного передатчика на приемник орбитального аппарата придет довольно сильный сигнал — идти недалеко, какие-то тысячи километров. Не миллионы. И можно не бояться шумов, вести передачу в сравнительно широкой полосе частот. А на ОА стоит уже значительно более мощный передатчик, снабженный к тому же остронаправленной антенной (СА неподвижен, а ОА можно крутить как угодно, направляя антенну на Землю).
Поэтому от ОА на Землю опять-таки приходит сигнал значительно более сильный, чем приходил бы от самого СА. Все это, вместе взятое, дает самый важный эффект — резко, во много сотен раз может быть расширена полоса частот, пропускаемых каналом связи. (Предлагается такое сравнение: прямая передача с Венеры — это возможность услышать две-три соседние клавиши рояля, а ретрансляция — многозвучные аккорды, охватывающие несколько октав.) Ну а если расширяется частотный спектр сигнала, то, значит, возрастает объем информации, которую можно передать с Венеры. Возрастает объем того самого бесценного продукта, из-за которого и затевалась вся эта сложная экспедиция на Венеру.
Весь объем информации, которую можно было передать с поверхности планеты, разделили между несколькими потребителями — коммутатор поочередно подключал к передатчику СА разные научные приборы. Но основная часть этого объема, основное время работы канала связи было ассигновано главному научному результату — простому человеческому «увидел»! Об этом завершающем аккорде всего эксперимента рассказывает доктор технических наук А. С. Селиванов:
— Очень хотелось бы, Арнольд Сергеевич, представить себе аппаратуру, которой была доверена съемка Венеры…
— Прежде всего, наверное, нужно сказать, что съемки в общепринятом смысле этого слова не было. Иногда космические автоматы действительно прежде всего фотографируют объект, а затем уже по линии радиосвязи передают изображение на Землю. В данном случае такой необходимости не было. Изображение воспринималось фотоэлектронным прибором, установленным на СА, тут же преобразовывалось в серии электрических сигналов, которые через ОА сразу же передавались на Землю (рис. 9). Ну а там уже из этих сигналов воссоздавалась картинка…
— То есть обычная телевизионная передача…
— Скорее фототелеграфная. Во-первых, картинка передавалась медленно, на один кадр ушло почти полчаса. Во-вторых, в системе не было обязательного телевизионного атрибута — передающей электронно-лучевой трубки. Ее роль взяла на себя камера с механической разверткой.
Как известно, в передающей телевизионной трубке изображение проецируется на светочувствительный экран так, как, скажем, оно проецируется на пленку или на пластинку в фотоаппарате. Светочувствительный экран — это огромное множество мельчайших фотоэлементов, и на каждом из них под действием световой картинки появляется свой электрический заряд. Этап заряд тем больше, чем выше освещенность данной точки. Острый электронный луч трубки поочередно обегает все фотоэлементы, «считывает» заряд, и картинка оказывается зашифрованной в меняющемся токе луча. Это называется разверткой изображения, превращением его в телевизионный сигнал.
В камере с механической разверткой тоже создается электрическое описание картинки, но уже иным способом. В такой камере всего один фотоэлемент, точнее, фотоэлектронный умножитель — ФЭУ. Луч к нему приходит через объектив и очень малое отверстие в диафрагме. В итоге ФЭУ видит только одну точку картинки. Но с помощью подвижного зеркала (его быстро покачивает кулачок, вращаемый двигателем), установленного на поворотной платформе, камера постепенно, точку за точкой, осматривает весь объект.
— А что заставило отказаться от электронного телевидения в пользу механического?..
— Мне бы не хотелось так ставить вопрос… Система все-таки в основном электронная: сам ФЭУ, его питание, усилители и преобразователи сигнала, синхронизация вращения двигателя высокостабильной опорной частотой — все это чистая электроника. Что же касается механической развертки, то в ее пользу есть немало аргументов.
— Какие же?..
— Система с механической разверткой — такие системы теперь часто называют сканерами — это прежде всего очень точный измерительный прибор с равномерной чувствительностью и четкостью по всему кадру. Весь кадр осматривается одним и только одним светочувствительным элементом — ФЭУ, диафрагма вырезает луч, который всегда проходит через центр объектива. В такой системе огромная панорама получается одним росчерком пера, ее не нужно склеивать из кусочков. А автоматическая регулировка усиления позволяет скомпенсировать неодинаковую освещенность объекта. К тому же при медленной передаче картинки электронная развертка просто не имеет смысла — теряется главное ее достоинство — ее безынерционность.
В свое время приходилось доказывать, что сканеры незаменимы для многих систем космического телевидения. Сейчас как будто уже никто не спорит… Сканеры к тому же делом доказали свои достоинства. Вспомним нашу станцию «Луна-9», которая первой совершила мягкую посадку на Луну, передала на Землю первые лунные панорамы. Они были сделаны с помощью сканеров, таких же примерно, какие затем работали на других «Лунах», на «Луноходах», «Марсах» и «Венерах». Кстати, наши американские коллеги, которые всегда отдавали предпочтение чисто электронным аппаратам, на своих последних машинах, на марсианских «Викингах», тоже установили сканеры с механической разверткой. И видимо, не жалеют об этом — «Викинги» передали на Землю много прекрасных марсианских панорам.
— В свое время с советской станции «Марс-5» был получен цветной снимок Марса. Какой аппаратурой он сделан?
— Вот здесь действительно планета сначала фотографировалась, пленка на борту проявлялась и затем картинка считывалась сканером. Были отсняты десятки кадров, некоторые снимались через разноцветные светофильтры, и из них был синтезирован цветной снимок. На «Марсах» стояли и другие телевизионные системы. В частности, сканер без горизонтальной развертки, ее заменило само движение станции над планетой. Такая система, кстати, была установлена на «Венерах», она дает изображение облачного слоя планеты. Телевизионный сигнал может сразу же передаваться на Землю, а может записываться на магнитофон и передаваться в другое, более удобное время, или передаваться повторно. На магнитофон можно записать также и сигналы, полученные со спускаемого аппарата.
— Какой объем информации был передан на Землю для воспроизведения каждого венерианского ландшафта?..
— Примерно 500 тысяч бит…
— Довольно много… Это эквивалентно телеграмме в 5— 10 тысяч слов…
— Большой объем информации, который нужно передать, — это плата за четкость. Сканер прошел по «картинке» более 500 строк, в каждой строке было 128 элементов, вся картинка сложилась примерно из 70 000 точек. И не просто черных и белых, как на чертеже, а имеющих разные градации яркости, как в телевидении или фотографии. Была предусмотрена передача 64 яркостных градаций, и таким образом на передачу каждой точки уходило 6 бит плюс еще один, так называемый служебный бит для синхронизации. Как видите, за передачу картинки приходится щедро платить — 500 тысяч бит — цена немалая. Но и полезной информации в картинках очень много. С полученными ландшафтами Венеры работают специалисты по геологии планет, по их происхождению. И те, кто готовит следующие полеты… Таким образом, полученную с Венеры информацию можно смело считать важным научным результатом.
