Радиолокация без формул, но с картинками - Размахнин Михаил Константинович. Страница 15

В реальной жизни, однако, никогда не требуют «бесконечно хороших» показателей. Требуют просто хороших. Это значит, что нужно разрешать цели, которые достаточно близко расположены. Что значит «достаточно близко»? А это уже зависит от конкретной задачи. Иногда специалистов удовлетворяют станции, которые разрешают цели с угловыми координатами, отличающимися на минуты или даже градусы, а в некоторых случаях требования к угловой разрешающей способности будут определяться секундами.

При узкой диаграмме направленности угловые координаты каждой цели можно определить точнее. Ведь число возможных неперекрывающихся положений в пространстве у узкого конуса больше, чем у широкого. А это равносильно выбору шкалы отсчета с большим количеством делений. Значит, нужно сужать диаграмму. Как это сделать?

Специалистам хорошо известно, что ширина диаграммы направленности определяется в основном размерами антенны. Чем больше антенна, тем уже ее диаграмма направленности, тем лучше она измеряет угловые координаты целей и разрешает цели по углам. Конечно, длина волны станции при увеличении антенны должна оставаться постоянной. Следовательно, нашему заказчику нужна станция с очень большой антенной. В общем-то, если не считать чисто технических ограничений, ничто не мешает построить радиолокационную станцию с антенной любой величины. Правда, если длина антенны будет измеряться несколькими километрами или десятками километров, то придется учитывать такие факторы, как кривизна Земли, различие температур воздуха на краях антенны и т. д. Но до этого, кажется, дело еще не дошло.

Если бы наша станция была живым человеком, то можно было бы предложить и другой способ. Ширина диаграммы направленности для человека, то есть угол, в котором он может видеть окружающие объекты, не поворачивая головы, в нормальном состоянии равна 140–150 градусам. Если же человек (мужчина, конечно) выпьет сто граммов водки или эквивалентное количество алкогольного напитка любого сорта, то его диаграмма направленности, по официальным данным ГАИ, сузится до 40 градусов. Вот и готовый рецепт сужения диаграммы направленности.

Но мы, кажется, несколько отвлеклись от темы. Извините. Вспомним — речь шла о наблюдении цели только в узком пространственном конусе. А где гарантия, что цели когда-нибудь попадут в него? Нет такой гарантии. Поэтому станция не ждет, пока цели попадут в ее диаграмму направленности, а сама активно ищет их.

Первые образцы радиолокационных станций были смонтированы в автофургонах, причем антенна неподвижно крепилась к крыше фургона. Для поиска целей в пространстве поворачивался весь фургон вместе с антенной и оператором относительно вертикальной оси. Шасси все-таки оставалось неподвижным. При этом пространство просматривалось на все 360 градусов и цели обнаруживались на любом направлении. Чем быстрее вращался фургон, тем чаще пробегал луч по каждому участку неба и тем труднее было цели проскользнуть незамеченной.

Число оборотов станции в минуту или в секунду называют темпом обзора пространства. Пока самолеты летали со сравнительно малыми скоростями, их надежно обнаруживали и при небольшом темпе обзора. Но самолеты стали летать быстрее. Пока станция разворачивается, они могли пролететь огромное расстояние и незаметно приблизиться к охраняемому объекту. Нужно увеличить темп обзора. Но если вращать фургон быстрее, то ощущение сидящего в нем оператора можно, по-видимому, сравнить только с ощущениями космонавтов, проходящих проверку на центрифуге. Какая уж тут работа, хотя бы сознания не потерять. Поэтому в последующих вариантах станций кабина операторов и все оборудование остается неподвижным, а вращается лишь антенна.

Скорость самолетов увеличилась, появились спутники и ракеты — небольшие цели, двигающиеся с огромными скоростями. Входят в строй радиолокационные станции с антеннами в несколько десятков метров длиной. Такую антенну не повернешь. И поэтому вместо механического перемещения антенны стали использовать электронное управление диаграммой направленности неподвижной антенны.

Для пояснения принципа такого электронного управления придется снова обратиться к примеру из спортивной жизни. Иначе понять его будет довольно трудно.

Приглашаю Вас в плавательный бассейн. Восемь пловцов, абсолютно равных по силам, должны доплыть до финишной стенки, вылезти из воды и собраться вместе. Встанем у финишной стенки и понаблюдаем. Пловцы, поскольку их силы равны, плывут прямо на нас ровной линией. Направление их движения перпендикулярно финишной стенке. Они одновременно достигнут бортика, вылезут из воды, и в этот момент мы сразу увидим группу из восьми человек. А теперь усложним ситуацию. Предположим (хотя в жизни так и не бывает), что бассейн имеет несколько необычную форму. Стартовая стенка его перпендикулярна боковым, а финишная сильно скошена, так что бассейн имеет не прямоугольную, а трапециевидную форму. Снова пригласим пловцов на старт, а сами снова встанем у финишной стенки. Теперь пловцы двигаются на нас как бы сбоку и линия их движения не перпендикулярна финишной стенке. Вот пловец на самой короткой дорожке уже вылез из бассейна, а остальные еще плывут. Если бассейн таков, что разница во времени между пловцами на соседних дорожках составляет одну секунду, то первый пловец будет ждать на бортике последнего пловца семь секунд, второй — шесть и так далее. И только когда последний пловец появится на бортике, мы сможем собрать их всех вместе.

А теперь снова вернемся к антеннам. Разобьем большую антенну на отдельные элементы, которые, по существу, представляют собой небольшие самостоятельные антенны. Если радиосигналы приходят с направления, перпендикулярного антенне, то они поступают на все элементы одновременно (бассейн правильной формы). Такие сигналы можно складывать и подавать на последующие каскады приемника. Если же сигналы приходят с других направлений, то они достигают элементов антенны неодновременно. Для того чтобы их можно было сложить, надо задержать ранее пришедшие сигналы до момента поступления сигнала с последнего элемента антенны (трапециевидный бассейн). Эту задержку выполняют специальные электронные устройства, называемые линиями задержки. Таким образом, для каждого элемента антенны необходима своя линия задержки. Чем сильнее отличается направление, откуда приходит радиоволна, от перпендикуляра к антенне, тем больше задержка-сигналов, поступающих на соседние элементы антенны. Изменяя значение времени задержки, мы изменяем направление, в котором «смотрит» антенна. Сигналы, приходящие с этого направления, после антенны будут суммироваться, а сигналы с других направлений суммироваться не будут, так как для них значения задержек не соответствуют разности времени появления сигналов на отдельных элементах.

Наконец, последний вопрос, который может возникнуть. Зачем нужно складывать сигналы от отдельных элементов антенны? Во-первых, именно сложение сигналов с разными задержками и обеспечивает направленность и возможность изменять направление наблюдения. А во-вторых, суммарный сигнал становится мощнее и его легче принимать и обрабатывать.

Пока что мы говорили о приемной антенне, но точно по такому же принципу работает и передающая антенна с электронным управлением диаграммой направленности. Установив то или иное значение задержки для отдельных излучающих элементов, мы тем самым посылаем суммарный сигнал всей сложной системы в заданном направлении. Сложная электронная система по заранее выбранному закону изменяет задержки во всех элементах системы, и луч радиолокатора обшаривает пространство в поисках цели. Вот как работает неподвижная антенна с электронным управлением диаграммой направленности.