Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Но вернемся к «ангелам». В воздухе заведомо ничего нет, в лучшие телескопы не видно ни пятнышка, посланный истребитель слетал и ничего не обнаружил, а отражение на экране есть. Исследуя характер и распределение по толще атмосферы отражений от «ангелов», ученые пришли к выводу, что виноваты неоднородности показателя преломления чистого воздуха. В нормальных условиях он очень мал: всего 1,0003. Измеряют его обычно в N единицах — миллионных долях разности между значением показателя преломления и единицей. В обычных условиях получается 300 N единиц. Приходилось ли вам видеть клубы дыма или пара над большим костром, пожарищем или крупной теплоэлектростанцией? Разумеется, видели. Теплый воздух поднимается вверх неравномерно, а очагами, клубами. То же самое получается и в ясный летний день. Клубы нагретого от земли воздуха, совершенно невидимые глазом, поднимаются от нагретой земли кверху. Их характер и расположение видел каждый, когда в летнее утро на безоблачном прежде небе появляются первые легкие кучевые облака. Каждое облако — вершина клуба теплого воздуха, поднявшегося с земли. Показатель преломления зависит от температуры и влажности, поэтому внутри клуба теплого воздуха он отличается на несколько N единиц. Этого достаточно, чтобы создать слабое радиолокационное отражение. Таким образом, локатор дал аэрологам, физикам и метеорологам новое средство исследования структуры атмосферы.
Между прочим, метеорологи в своих исследованиях уже давно используют не столь мощные, сравнительно простые и дешевые радиолокаторы. Они оказались незаменимыми при радиозондировании атмосферы. Вы наверняка слышали про метеорологические шары-зонды, регулярно запускаемые с метеостанций. Это небольшой, наполненный легким газом шар с привязанной к нему картонной коробкой. В коробке размещены датчики давления, температуры и влажности, а также простенький телеметрический радиопередатчик, по определенной программе сообщающий на метеостанцию данные о состоянии атмосферы. А наблюдая за дрейфом шара в воздушных потоках, можно узнавать направление и силу ветра на разных высотах. Все эти данные крайне важны и для научных исследований, и для прогнозов погоды. Но как наблюдать за шаром, поднимающимся на высоту до 30 км и уносимым ветром на еще большее расстояние? С помощью теодолита или даже сильного телескопа это можно сделать лишь в исключительно ясную погоду. Как быть при дымке, облаках, в пасмурную погоду? На помощь приходит радар. Для него дымка, облака и туман не помеха. С равным успехом за шаром можно следить и ночью. Чтобы шар лучше отражал радиоволны, его пластиковую или резиновую оболочку металлизируют — покрывают слоем алюминиевой пудры. Но это не лучший способ сделать шар-зонд «заметнее» в луче РЛС.
Часто используют так называемые радиолокационные ответчики — простые транзисторные генераторы, настроенные на частоту РЛС. Ответчик включается зондирующим импульсом РЛС и немедленно генерирует собственный импульс, создающий на экране РЛС яркую и четкую отметку. Он оснащен слабонаправленной антенной (обычно полуволновый диполь), поэтому его ориентация в полете практически значения не имеет.
У описанного активного ответчика есть один существенный недостаток: он «отвечает» только тому радару, на частоту которого настроен. Кроме того, ему нужен источник питания. Предположим, что вы яхтсмен и собираетесь на небольшой деревянной яхте выйти на акваторию с оживленным движением судов. Вам надо позаботиться о том, чтобы все суда вас хорошо «видели» и случайно не утонили в условиях плохой видимости. А поскольку в этих условиях навигация осуществляется в основном с помощью корабельных PЛC, вам нужен эффективный радиолокационный отражатель. Такие отражатели есть, и ни один яхтсмен не выйдет без него в море.
Пожалуй, проще всех по конструкции уголковые отражатели. Они выполняются из трех взаимно перпендикулярных плоских металлических листов. При этом с какой бы стороны ни проходил радиолокационный сигнал, он отражается строго в обратном направлении. Это можно доказать, воспользовавшись законом геометрической оптики: угол падения равен углу отражения. Закон геометрической оптики применим, если размеры отражателя существенно больше длины волны. Например, уголковый отражатель со стороной 30 см будет прекрасно виден на экране РЛС, работающей в трехсантиметровом диапазоне волн. Эффективная площадь рассеяния такого «уголка» достигает нескольких квадратных метров, т. е. как и у небольшого самолета. Уголковые отражатели применяют и на суше, например для обозначения границ взлетного поля аэродрома. На экране самолетной РЛС отражатели видны яркими точками.
Уголковый отражатель и принцип его действия.
Теперь вас ожидает рассказ со сказочным сюжетом. Представьте самолет-разведчик, летящий вдоль границы. Он не залетает на территорию чужой страны и «просматривает» ее лучом радара. На выходе РЛС или даже потом, на земле, после обработки данных, получается подробнейшая карта чужой территории, да какая карта! На расстоянии нескольких сотен километров можно разглядеть каждую улицу, каждый дом, отдельные автомашины. «Ну, уж извините, — скажет читатель, — такое невозможно даже при наблюдении в самый лучший оптический телескоп». Вы правы, с помощью оптического телескопа такое разрешение получить почти невозможно, а с помощью радара — да. То, что я рассказал, не сказка, это было сделано еще десять — пятнадцать лет назад.
Вот самое последнее достижение. К Венере в 1984 году были посланы две советские межпланетные станции — Венера-15 и Венера-16. Четыре месяца они были в полете, пока не вышли на околовенерианскую орбиту высотой 1000…2000 км. С этой огромной высоты заработали радиолокаторы. Было проведено много сеансов локации поверхности. Сквозь плотный слой облаков осуществлялось ее детальное картографическое исследование. Разрешающая способность локаторов достигала 1 км, а точность определения высоты — 30 м. Данные передавались на Землю по космической радиолинии и обрабатывались уже здесь, на Земле.
Руководитель коллектива, создавшего уникальную аппаратуру, академик А. Ф. Богомолов рассказывает, что при использовании традиционной радиолокационной техники понадобились бы антенны диаметром 60…70 м. Доставить такие антенны к Венере было нереально. Поэтому и использовали новый тип радара — радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой. Что же это за локатор, превосходящий по разрешающей способности лучшие оптические приборы?
РЛС бокового обзора.
Вернемся к примеру с самолетом, летящим вдоль границы. Этот радар «смотрит» вбок, перпендикулярно направлению полета. Отсюда и название — «PЛC бокового обзора». Для разрешения объектов размером в несколько метров на расстоянии, скажем, 100 км ширина луча должна составлять 10-5 рад, или около двух угловых секунд. На волне длиной З см апертуру обычной антенны вдоль направления полета надо было бы сделать равной 3 км, что, разумеется, нереально: антенна-то самолетная. А что, если воспользоваться тем обстоятельством, что самолет с его реальной маленькой антенной последовательно проходит все это расстояние. Ведь тем самым как бы получаем антенну с воображаемой, синтезированной апертурой.
В начале нужного нам трехкилометрового отрезка трассы полета самолета РЛС излучает импульсы, а отраженные сигналы запоминаются в ЭВМ или записываются на пленке с учетом их амплитуд и фаз. То же самое делается и на всем пути синтезирования. А затем все записанные сигналы складываются так, как это сделала бы реальная антенна с длиной 3 км.
Обработка сигналов при синтезировании очень сложна. Прежде всего импульсы должны быть когерентными, т. е. с неизменной частотой и фазой. Отражающих целей много, и объем обрабатываемой информации громаден. В первых опытах использовали фотопленку и оптическую систему обработки в когерентном лазерном свете. Ведь записанная информация об амплитуде и фазе отраженных сигналов является не чем иным, как голограммой[3], только снятой не в оптическом, а в радиодиапазоне. Голограмма несет всю информацию об объектах, сумей только ее обработать! Теперь эта задача по плечу большим цифровым ЭВМ, и изображение местности, снятой радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, можно получать прямо на ходу, в полете.
Чудес в радиолокации еще очень много. Эта область науки интересна и для математиков, и для физиков, и для радиоинженеров — всем найдется сфера приложения сил.
10. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА
Глава, в которой автор не будет вспоминать никаких сказочных чудес по той простой причине, что действительность далеко превосходит их. Расскажет о том, что казалось невероятным еще вчера, стало обыденным сегодня, и о том, что нас ждет завтра. И наконец, о том, что даже представить себе пока трудно. Одним словом-об электронных вычислительных машинах, информационных комплексах и о патентном поиске не выходя из дома.
