Приключения радиолуча

РУС-1 тоже работала на Карельском перешейке во время финской войны. Было выпущено 45 комплектов таких станций. Но используемый в них метод имел много недостатков, и во время Великой Отечественной войны РУС-1 были перебазированы на менее ответственные участки — для охраны границы в Закавказье и на Дальнем Востоке.

Первые наши станции назывались радиоулавливателями самолетов (РУС), английские же слова-синонимы — радиолокатор, радар — пришли к нам в грозном 1941 году вместе с закупленными станциями. Время было трудное, вооружений не хватало, производственная база на европейской территории страны была потеряна… И хотя английские термины прижились в нашем языке, это совершенно не значит, что прав Уинстон Черчилль, премьер-министр Великобритании в период второй мировой войны, который после ее окончания заявил в парламенте, будто именно англичане подарили миру радиолокацию — величайшее, по его словам, военное изобретение за последние 50 лет. Как мы убедились, это совсем не так.

ИЗ ТУПИКА…

За годы войны радиолокация сделала большой скачок. Особенно преуспели американские инженеры. У них и возможностей для исследований было несравненно больше, и главное — была мощная промышленная база. Американская станция орудийной наводки SCR-584 для зениток (такие станции назывались сокращенно СОН), выпущенная в 1943 году, оказалась настолько удачной, что не одно десятилетие использовалась по разным назначениям.

После войны авиация продолжала совершенствоваться, соответственно возрастали и требования к радарам, в частности, к дальности обнаружения. А она зависит от энергии сигнала. Чем больше его энергия, тем дальше, а следовательно, и раньше можно обнаружить цель.

Энергия сигнала определяется просто: как произведение мощности сигнала на его длительность. Но оказалось, что мощность сигнала наращивать беспредельно нельзя: не выдерживают ни передатчику ни волноводы, подводящие сверхвысокочастотную энергию к антенне. Оставалось одно: увеличивать длительность сигнала. Тогда ухудшался другой не менее важный параметр — разрешающая способность по дальности. Это свойство Радара наблюдать в отдельности следующие друг за другом самолеты. Чем короче импульс, тем лучше разрешающая способность. Так, если длительность импульса одна микросекунда, то самолеты, летящие друг за другом на расстоянии ближе, чем 150 метров, будут на экране радара восприниматься как одна цель.

Ситуация в радиолокации складывалась тупиковая: чтобы иметь достаточную энергию, сигнал на передачу должен быть длинным, а при приеме, чтобы иметь хорошее разрешение и точность измерения дальности, — коротким. Как выйти из тупика?..

Спас радиолокацию от застоя новый вид сигналов. Их называют и сложными, и шумоподобными, и псевдослучайными, и широкобазовыми, и составными… В наш век всеобщей стандартизации попытка унифицировать терминологию здесь не увенчалась успехом. Такая разноголосица, видимо, не случайна, она отражает многообразие таких сигналов. Это могут быть и разнесенные во времени импульсы, каждый из которых излучается на своей частоте, и длинная синусоида, фаза которой меняется скачком через определенные промежутки времени, и отрезок высокочастотного шума… Главная их особенность в том, что произведение длительности сигнала на ширину полосы занимаемых частот, которое часто называют базой сигнала, больше единицы. Стараются сделать базу сигнала как можно больше. Для чего? Станет ясно чуть позже.

Итак, сложный сигнал чаще всего представляет собой длинный импульс со сложной внутренней начинкой: частотой или фазой, меняющимися по какому-либо закону. На приемном конце импульс надо укоротить, то есть сжать.

Интересно, что во время войны, как бы предвидя будущие осложнения, ученые уже подумывали о такой возможности. Правда, уровень техники тогда еще был не тот, чтобы изготовить подобную аппаратуру, да и особой потребности в этом не было. Так что засекреченные заявки остались лежать в досье патентных бюро как любопытные предложения, оставшиеся в наследство от военного времени.

В начале 50-х годов идея сжатия импульсов, несмотря на барьеры секретности, нашла свое аппаратурное воплощение в разных странах, и причем в разных вариантах. В нашей стране одно из первых устройств сжатия сложных сигналов было создано радиоинженером Виктором Михайловичем Свистовым.

Первым сложным сигналом стал длинный импульс, частота заполнения которого изменялась со временем 00 линейному закону. Специалисты называют такой сиг-нал «импульсом с ЛЧМ» (с линейной частотной модуляцией). За рубежом есть еще и иное название: «чирп-сигнал». Любопытно происхождение термина. Специалисты фирмы «Белл» впервые использовали такой сигнал для передачи телеграфных посылок — «нулей» и «единиц». Если к линии подключали наушники, то в них прослушивалось нечто вроде щебетания птиц — «чирп-чирп-чирп…» Сегодня такой сигнал широко применяется в радарах.

Как же длинный импульс превратить в приемнике в короткий? Делается это так. По мере прихода длинного сигнала каждый его элемент запоминается на определенное время, а его частоту и фазу соответственно изменяют, чтобы она стала у всех элементов одинаковой. Затем в определенный момент времени все элементарные сигнальчики с одинаковой «начинкой» складываются, то есть как бы выстраиваются вертикально один над другим. В результате длительность сигнала на выходе становится равной длине одного элементика, а его амплитуда резко возрастает. Интересно, что импульс становится короче в число раз, равное базе. Вот почему базу сигнала называют также коэффициентом сжатия, вот почему ее стараются сделать как можно больше.

Устройство, осуществляющее такую операцию, называют согласованным фильтром. Это понятие ввел в секретном докладе в 1943 году американский исследователь Норе. Такой фильтр строго индивидуален. То есть для каждого сигнала существует свой согласованный фильтр, на выходе которого амплитуда сигнала по отношению к мешающим шумам будет максимальной. Доклад был опубликован через 20 лет. Независимо от него идея, как мы видели, сама возродилась, но ужена Новом уровне — для сжатия сложных сигналов. Сейчас почти все радиолокационные приемники строятся по схеме согласованного фильтра и близкой к нему.

Смысл согласованной фильтрации в том, что сигнал передатчика и фильтр в приемнике должны быть согласованы. На языке математики вышесказанное звучит так: амплитудно-частотные спектры сигнала и фильтра должны совпадать по форме, а фазочастотные спектры должны быть с разными знаками. Физически это, как говорят, «прозрачно». Зачем усиливать все частоты в сигнале равномерно? Ведь одновременно мы усиливаем и вредные шумы, сопутствующие сигналу. Согласованный фильтр обрабатывает сигнал взвешенно. Он подчеркивает те частоты, мощность которых преобладает в сигнале. Ну а что касается обратного знака фазы — так это как раз и означает операцию задержки элементика сигнала и «подкрутки» его фазочастотной начинки таким образом, чтобы все частоты в сигнале в какой-то момент времени оказались в фазе и сложились бы. Тогда возникает узкий пик большой амплитуды, и чем больше частот в сигнале, то есть чем шире спектр сигнала, тем меньше длительность пика и тем выше он.

Вне пика сигнал как бы рассыпается, частоты гасят друг друга, но к великому сожалению, не везде полностью… Эти остатки, называемые «боковыми лепестками» (они располагаются по времени и спереди и сзади основного пика), причиняют много хлопот. Например, когда в луч радара попадает сразу несколько самолетов, «боковые лепестки» могут сбить оператора с толку.

Есть еще целый ряд причин, по которым от «боковых лепестков» надо избавляться. Появилось даже такое направление, как «синтез сигналов»: по требуемой форме сигнала на выходе согласованного фильтра надо найти, какой в данном случае будет сигнал у передатчика. Правда, удается получить нужный сигнал не всегда: порой задача не решается (просто физически не существует такого сигнала, чтобы получить какой бы нам хотелось отклик на выходе согласованного фильтра), порой требуются такие точности к реализации фазочастотной структуры сигнала, что их трудно выполнить.