Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Поток энергии через единичную площадку обратно пропорционален квадрату расстояния.
Даже если мы сконцентрируем излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз (этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, сокращенно КНД), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. В радиолокации дело обстоит значительно хуже. Облучаемая на расстоянии R цель сама рассеивает энергию по всем направлениям. И если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в 2 раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Вот какой дорогой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС!
Приведу несколько конкретных примеров. Возьмем небольшую аэродромную РЛС с антенной площадью 10 м2. И пусть она наблюдает небольшой самолет с эффективной поверхностью рассеяния[2] 5 м2 на длине волны 10 см. Работоспособность такой РЛС сейчас ни у кого не вызывает сомнений. Однако расчет показывает, что отраженный сигнал, приходящий в приемник при удалении самолета на 80 км, в этом случае на 16 порядков слабее излучаемого! Как говорят инженеры, потери сигнала при локации составляют 10-16. или 160 дБ. Но их это не пугает. При излучаемой мощности 10 кВт чувствительность приемника должна составить 10-12 Вт. Такие приемники научились делать еще в годы второй мировой войны!
Другой пример. Заставим нашу РЛС осуществлять локацию Марса. Дело это, разумеется, совершенно безнадежное, если не принять специальных мер. Увеличим площадь антенны до 1000 м2. И даже в этом случае потери сигнала на трассе составят 250 дБ, или 1025. Понадобятся сверхмощный передатчик и особые методы приема сигналов, уровень которых лежит гораздо ниже уровня собственных шумов приемника. К одному из таких методов относится когерентное накопление сигнала. Сеансы локации проводятся много раз, и отраженные сигналы суммируются. Амплитуда суммарного сигнала после суммирования n посылок возрастает в n раз, тогда как амплитуда статистически независимых шумов — только в √n раз. При достаточно длительном времени накопления удается выделить чрезвычайно слабые отраженные сигналы. В первых опытах по локации Марса время накопления составляло 8.5 ч.
Существует великое множество радиолокаторов. Это и только что упомянутый «планетный», представляющий собой уникальный комплекс сооружений со сверхмощными передатчиками и ЭВМ для обработки сигналов, увенчанный полноповоротной антенной-чашей диаметром 75 м (только представьте себе грандиозность этого сооружения!). Это и миниатюрный, почти карманный радар работника автомобильной инспекции, позволяющий в считанные секунды определить скорость движущегося по шоссе автомобиля. Радарами оснащены теперь все морские и речные суда, все самолеты. Жизнь и деятельность в самых отдаленных уголках страны даже трудно представить себе без радаров.
Когда во время экспедиции гидрографическое судно шестой день не выходило из тумана в районе Курильских островов и Камчатки, я никак не мог понять, как же эти места осваивали и исследовали первопроходцы? Каждую ночь, каждый туманный день они должны были быть настороже — не послышится ли по носу судна плеск воды, накатывающейся на рифы. А в случае крушения помощи ждать неоткуда места не заселены, а карт и лоций нет — именно первопроходцы их и составляли.
Теперь все не так. По ворсистой ковровой дорожке, идеально чистой на гидрографическом судне, ты идешь к навигаторам, и они покажут карту, где со скрупулезной точностью нанесены мели, берега и глубины. Покажут и экран РЛС кругового обзора, где электронный луч непрерывно рисует ту же карту, получаемую радаром в этот самый момент. Видим на ней и берега, и рифы, и проходящие мимо корабли. А окна рубки «занавешены» туманом, и не видно даже передней мачты. Этому чудо-прибору, радару, не более 50 лет.
Начало радиолокации
В 30-х годах нашего столетия сгущались тучи на политическом горизонте Европы, да и всего мира. Набирал силу и наглел фашизм в Германии, Италии, в Японии поговаривали о мировом господстве. Страны оси Рим-Берлин-Токио лихорадочно вооружались. Росли скорости, вооруженность и дальность полета самолетов. Появилась настоятельная необходимость в обнаружении и определении координат воздушных целей. Но как это сделать?
Имевшаяся в это время звуколокационная техника уже не могла работать удовлетворительно. Тем не менее звукоулавливатели разрабатывались, и на октябрьских парадах возили по Красной площади похожие на спрутов установки с черными рупорами и переплетением трубок. «Слухач» звукоулавливателя наводил рупоры в направлении места, откуда исходил звук от летящего самолета. Но скоростной самолет улетал в это время далеко… К тому же звук «относился» ветром. А обычные методы визуального наблюдения оказывались бесполезными, как только самолет скрывался за облаками. Прожекторы да звукоулавливатели — вот и вся техника, которая была в распоряжении военных к середине 30-х годов. И военные выступили с инициативой создать новые средства использующие другие виды излучений, главным образом электромагнитные волны. Инициаторами исследований были представитель Главного артиллерийского управления (ГАУ) РККА М. М. Лобанов, впоследствии генерал-лейтенант, и представитель управления ПВО РККА П. К. Ощепков, впоследствии профессор, директор Института интроскопии. В Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) организовалась группа под руководством старшего инженера Ю. К. Коровина. Договор между ЦРЛ и ГАУ был заключен в октябре 1933 года. Кстати, этот договор был первым в СССР юридическим документом, положившим начало планомерным научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам в области радиолокации, а также их финансированию. В Соединенных Штагах по настоянию вице-адмирала Боуэна лишь в 1935 году конгресс ассигновал Морской исследовательской лаборатории 100 000 долларов специально на работы в области радиолокации. А первый контракт с промышленностью на постройку шести опытных станций был заключен в 1939 году.
Официальная западная история родиной радара считает Великобританию. Сейчас трудно винить историков за эту неточность, ведь все работы по радиолокации и у нас, и за рубежом по понятным причинам проводились в обстановке строжайшей секретности. Перед второй мировой войной Великобритания располагала самым большим в Европе военно-морским флотом, но Германия имела подавляющее превосходство в воздухе. Поэтому защита от воздушного нападения (немцы неоднократно бомбили Лондон) была для англичан жизненно важной задачей. С 1936 года вдоль побережья Великобритании стали строить линию постов раннего радиолокационного обнаружения, к началу войны она была закончена.
Идея радиолокации в те годы буквально носилась в воздухе. Впервые ее высказал П. К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения. Любопытно, что спустя два года в Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ) как-то пришел командир зенитной батареи с предложением использовать для обнаружения самолетов радиоволны. Он не знал, что подобные работы уже ведутся.
16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) под председательством академика А.Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА, в числе которых был и П. К. Ощепков, поставили задачу обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях. В протоколе совещания, в частности, говорилось: «При этом должны быть разработаны относительно достаточно мощные генераторы дециметровых и сантиметровых волн, направляющие электромагнитные излучения системы, а также приемные устройства, обеспечивающие по отраженному электромагнитному лучу определение местонахождения самолетов (их координаты), их количества, курс движения и скорости». Согласитесь, что задачи радиолокации были сформулированы предельно точно, но техники еще не было. За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. В ЛЭФИ группа энтузиастов (Б. К. Шембель, В. В. Цимбалин и др.) использовала метод непрерывного излучения радиоволн. Приемник и передатчик располагались раздельно. К приемнику поступали два сигнала: одни непосредственно от передатчика, а другой — отраженный от самолета. Поскольку дальность до самолета все время изменялась, набегала и фаза отраженной волны. Она то складывалась, то вычиталась с волной, приходящей непосредственно от передатчика. Возникала интерференция волн, вызывающая характерные биения, слышимые в телефонных наушниках, присоединенных к выходу приемника. Первые опыты проводились в Ленинграде, а уже летом 1934 года опытную установку показывали в Москве членам правительства. Передатчик был установлен на верхнем этаже дома № 14 по Красноказарменной улице, а приемник располагался в районе пос. Новогиреево по шоссе Энтузиастов, сразу же за Измайловским парком. На лесную поляну приехали маршал М.Н. Тухачевский, Н. Н. Нагорный, впоследствии командующий ПВО страны, академик М. В. Шулейкин и другие. Аппаратуру показывал энтузиаст радиолокации представитель УПВО П. К. Ощепков. Самолет, специально летавший в районе расположения аппаратуры, обнаруживался уверенно. Эта аппаратура работала на метровых волнах с использованием дипольных антенн. Диаграммы направленности их были широкими, и координаты самолета определялись лишь весьма приблизительно.
