Радиолокация без формул, но с картинками - Размахнин Михаил Константинович (серии книг читать онлайн бесплатно полностью TXT) 📗
Первое требование означает, что нам необходимо обнаруживать достаточно маленькие цели на возможно больших расстояниях. Но чем больше расстояние, тем больше сил затрачивает сигнал на преодоление пути и тем слабее возвратившийся отраженный сигнал. Здесь мы имеем полную аналогию с ситуацией, изображенной на рисунке. Со старта марафонского забега отправляется в путь группа полных сил бегунов, а достигают финиша (в нашем случае приемника радиолокационной станции) лишь немногие изнуренные спортсмены (для нас сигналы).
Поэтому для каждой станции существует такое расстояние, что от целей, находящихся на большем удалении, отраженный сигнал заметить, а тем более измерить, не удается. Это расстояние и называют дальностью действия. Увеличить дальность действия можно за счет повышения энергии сигнала.
Выбранная нами станция излучает сигналы в виде отдельных импульсов того или иного вида. В этом случае дальность действия определяется энергией отдельного импульса. А эта энергия зависит от длительности импульса и его средней мощности. Не вдаваясь в детали, скажем, что беспредельно увеличивать мощность нельзя, — это очевидно из простых физических соображений. Если мы используем предельно возможную мощность, а заданная дальность действия еще не достигнута, то энергию сигнала придется увеличить, уменьшив его длительность.
Так поступают не только в радиолокации. Например, одно время строили только пятиэтажные дома, длинные-длинные, порой занимающие целый квартал. Естественно, что число квартир в одном доме при этом могло быть как угодно большим. Итак, казалось бы, за счет использования максимально доступной мощности и большой длительности можно получить сколь угодно большую дальность действия станции. Но… В технике всегда есть место для «но». В этот раз «но» связано со вторым и третьим требованиями заказчика (высокая точность определения местоположения цели и хорошая разрешающая способность). Чтобы понять, в чем заключается противоречие между этими требованиями, рассмотрим в самом простом виде, как в радиолокационной станции определяют местоположение цели.
Где же она?
Точка, в которой находится в данный момент цель, в нашей станции определяется дальностью до цели и двумя углами — углом места и азимутом. Азимут — угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от направления на север (термин заимствован, вероятно, у путешественников и туристов). Угол места — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтальной плоскости (термин, по-видимому, придумали специально для радиолокации). Угол места и азимут (точнее, пересечение плоскостей, которые они определяют) дают нам прямую линию, на которой расположена цель, а дальность указывает, где именно на этой прямой находится цель. Значит точно измерить угловые координаты и дальность. Начнем с измерения дальности.
Станция включилась в работу. Сигнал срывается с передающей антенны и со скоростью света устремляется к цели. Одновременно на экране индикатора световой луч развертки начинает свой путь из точки, которая обозначает место расположения станции. Система развертки устроена таким образом, что при отсутствии цели луч будет все время прочерчивать на экране светящуюся горизонтальную линию (но будем все-таки считать, что цель есть). Вот сигнал достиг цели, отразился от нее и, вернувшись к станции, попал на огромное полотнище приемной антенны. И в этот момент луч сделает на экране засечку — цель обнаружена. То же происходит и со всеми последующими сигналами. Если цель приблизится к станции, то сигнал совершит свое путешествие к ней и обратно быстрее, а значит и луч развертки раньше засветит отметку от цели. Так как скорость, с которой путешествует сигнал, постоянна, то время, прошедшее с момента излучения сигнала до его приема, пропорционально удвоенному расстоянию до цели. Поэтому, выбрав подходящий коэффициент пропорциональности, мы можем измерить расстояние на индикаторе, которое успел пробежать луч развертки за это время, непосредственно в километрах или милях. Так мы получаем шкалу дальности на экране индикатора. Теперь нам достаточно заметить цифру, у которой возникает отметка от цели, чтобы сказать, на какой дальности она находится. Но как точно мы можем измерить это расстояние? Чем больше делений на нашей шкале дальности, тем точнее можно произвести отсчет.
Попробуйте измерить длину подмосковного окунишки рулеткой, на которой деления расположены через 25 сантиметров. По-моему, довольно трудно. Значительно легче сделать это, имея под рукой линейку с миллиметровыми делениями. Шкала индикатора в нашем распоряжении, и казалось бы, что точность может быть как угодно высокой. Не тут-то было. Представим себе обычную жизненную ситуацию. Вы приходите на стадион минут за двадцать до начала футбольного матча. Кое-где уже сидят зрители. Вы подходите к своему ряду и не можете найти своего законного места, скажем № 216. Вы видите место № 214, далее восседает мужчина, несколько похожий на Тартарена из Тараскона, а за ним на скамейке виден № 218. Учитывая стремление дирекции стадиона разместить на трибунах как можно больше зрителей и внушительные габариты ранее пришедшего болельщика, Вы с грустью вынуждены констатировать, что сидеть вам придется на ступеньках лестницы. По-моему, сейчас самое подходящее время решить задачу, на каком же месте сидит болельщик.
Теперь Вам должно быть понятно состояние оператора, определяющего дальность до цели, отметка от которой перекрывает сразу несколько делений шкалы. Поскольку ширина отметки прямо пропорциональна длительности сигнала, то нетрудно понять, что для повышения точности отсчета и станции необходимо использовать более короткие сигналы и тогда отметка от цели станет уже и не перекроет соседних делений. Применение коротких сигналов позволит нам выполнить и третье требование заказчика — обеспечить высокую разрешающую способность станции по дальности. Если две цели расположены таким образом, что отметки от них перекрываются и образуют одну суммарную отметку, то специалисты говорят, что цели не разрешены. Если это не совсем понятно, то посмотрите на рисунок. Представьте себе, что Вы смотрите на футболистов сверху. В ситуации, показанной слева на рисунке, Вы увидите отдельно каждого из футболистов и мяч. Это и означает, что вы «разрешаете» данные цели. А в ситуации, изображенной справа, задача потруднее. Тут не всегда даже можно сказать, сколько Вы видите футболистов, а где находится мяч и вовсе непонятно (не забывайте, что Вы смотрите сверху!). Вы видите лишь группу футболистов. В этом случае Вы дели «не разрешаете» — они слились для Вас в одну. Теперь понятно, что такое разрешение?
Будем укорачивать сигналы, то есть сужать отметки от них на экране индикатора. Когда ширина отметок станет меньше расстояния между ними, произойдет разрешение целей и каждая из них будет наблюдаться отдельно. Естественно, что заказчик заинтересован в получении станции, которая бы правильно определяла бы и положение, и число целей. Значит, да здравствуют короткие сигналы? Но ведь раньше мы убедились, что нам нужны длинные сигналы. Опять конфликт. Обещаем справиться и с ним. А пока поверьте на слово, что специалисты сумели сделать это. Объяснение запишем себе в долг.
А как определить угол места и азимут цели? Эту миссию выполняет антенна станции, которая обладает направленностью. Что это значит? Антенна принимает только сигналы, приходящие из узкого пространственного конуса. Функция, с помощью которой математики сумели описать это свойство — возможность селектировать цели по угловым координатам, — называется диаграммой направленности антенны. На сигналы от целей, находящихся вне диаграммы направленности, антенна по существу не реагирует. Зная угловые координаты этого конуса, мы тем самым определяем и угловые координаты цели. Если в конус попадают две или три цели, то все они будут иметь одни и те же угловые координаты, то есть, как говорят специалисты, они не разрешены по углам. Значит, нужно уменьшить угловые размеры конуса, иначе говоря, сужать диаграмму направленности. Когда она сузится настолько, что при любом положении в нее будет попадать единственная цель, мы сможем торжественно сообщить заказчику, что добились полного разрешения целей по угловым координатам. Но такая ситуация принципиально невозможна. Во-первых, диаграмма направленности не может быть бесконечно узкой (как будет показано ниже, для этого потребуется бесконечно большая антенна). Ну и кроме того, несколько целей могут оказаться на одном и том же направлении, но на разных дальностях. Тогда мы, может быть, сумеем разрешить их по дальности, но никогда не сможем разрешить их по угловым координатам.
