Новое в радиолокации (В. Шамшур)

Основное направление современных исследовательских работ в области радиолокации заключается в поисках новых возможностей применения радиолокационной техники, в повышении точности вырабатываемых координат, в создании принципиально новых электронно-вакуумных приборов, разработке более совершенных схем отдельных узлов и блоков станций, в унификации и стандартизации их, уменьшении размеров и веса и т. д.

Успешное развитие полупроводниковой электроники в послевоенные годы позволяет заменять все большее и большее количество обычных электронных ламп полупроводниковыми приборами, которые обладают малыми размерами и весом, ничтожным потреблением электроэнергии и высокой надежностью.

Совершенствуются и электронные приборы, применяемые в радиолокационной аппаратуре. До недавнего времени для получения очень мощных колебаний на сверхвысоких частотах в радиолокационных станциях применялись только магнетроны. Клистроны, в которых поток электронов, испытывая торможение и ускорение, формируется в сгустки, отдающие свою энергию, были очень маломощны и поэтому применялись только в приемниках радиолокационных станций. В настоящее время разработаны опытные конструкции клистронов очень большой мощности, которые могут работать в передатчиках радиолокационных станций.

Слабым местом радиолокационных станций, разработанных в период второй мировой войны, было усиление очень слабых сигналов сверхвысоких частот. Электронных приборов, пригодных для подобного усиления, в то время не имелось. В послевоенные годы для этой цели был разработан новый класс усилителей, получивших название "лампа с бегущей волной" и "лампа с обратной волной". В этих лампах используется взаимодействие потока электронов с медленно распространяющейся электромагнитной волной, движущейся, например, по спирали из проволоки. При синхронном движении электронов и электромагнитной волны они взаимодействуют, вызывая усиление электромагнитной волны. Этот новый вид электронных приборов позволяет осуществлять большое усиление на очень высоких частотах (в 10000 раз и более на волне 10 см), пропуская при этом очень широкую полосу частот порядка нескольких тысяч мегагерц (полоса частот на волне 10 см, пропускаемая клистроном, равна всего лишь 30 Мгц). Помимо того, подобные лампы обладают небольшими шумами. Применение таких ламп в приемниках радиолокационных станций равноценно десятикратному увеличению мощности передатчика. Экран электроннолучевой трубки в радиолокационных станциях обладает слабым свечением. Для наблюдения за таким экраном необходимо затемненное помещение. С этой же целью над экраном самолетных радиолокационных станций применяют специальные защитные козырьки - тубусы. В послевоенные годы были разработаны так называемые трубки с темновой записью (скиатроны). Они могут накапливать отметки отраженных импульсов и сохранять их в течение большого времени. В результате получается достаточно контрастное изображение даже при большой внешней освещенности помещения.

Разработана также экспериментальная трубка с накоплением зарядов (метрехон), позволяющая записывать полутоновые изображения с экрана индикатора радиолокационной станции кругового обзора, чтобы преобразовать затем эти изображения в телевизионные сигналы для передачи их в отдаленные пункты, например пункты сбора донесений от радиолокационных станций.

Благодаря хорошему воспроизведению полутонов такая трубка позволяет повысить надежность обнаружения слабых сигналов (от далеких или небольших целей) при наличии шумов. Появление на экране этой трубки первого отраженного импульса позволяет оператору радиолокационной станции следить за целью в течение большего времени, чем в тех случаях, когда оператор должен искать глазами небольшие и быстро исчезающие отметки целей на экране обычной трубки.

Индикатор радиолокационной станции, в котором находится электроннолучевая трубка, довольно громоздок по своим размерам и весу. Одной из причин этой громоздкости является большая длина трубки (порядка 50 см и более). Поэтому много работ было посвящено усовершенствованию индикаторов. С этой целью, например, предложена трубка, горловина которой согнута под некоторым углом к экрану (рис. 37), что позволяет уменьшить размеры индикатора.

Рис. 37. Электроннолучевые трубки: а - обычной конструкции; б - с изогнутой горловиной

Особенно много внимания уделяется разработке максимально плоского экрана, создание которого позволило бы значительно упростить конструкцию индикатора и уменьшить размеры радиолокационных станций, поместив, например, такой экран на стене, где он будет хорошо виден нескольким наблюдателям.

В одном из вариантов плоского экрана (рис. 38) светящийся состав расположен между двумя стеклянными пластинами, причем воздух внутри выкачан. Поток электронов поступает из электронного прожектора, расположенного справа вверху, и движется вдоль верхнего края экрана по соседству с рядом вертикально отклоняющих пластин. Меняя напряжение на этих пластинах, поток электронов можно отклонить к любому месту вдоль края. Тогда поток электронов станет двигаться вертикально между рядом прозрачных горизонтально отклоняющих пластин (расположенных у задней стенки экрана) и светящимся составом.

Рис. 38. Устройство плоского экрана

Последовательно изменяя напряжения на вертикально и горизонтально отклоняющих пластинах, можно заставить поток электронов ударяться о светящийся состав, вызывая появление изображения. Высота такого экрана 61 еж, а толщина (длина) 7,5 см.

В другом типе плоского экрана имеются светящийся слой и две взаимно перпендикулярные сетки (растр), составленные из большого количества параллельно натянутых проволок очень малого диаметра. Поочередная подача напряжений на горизонтальные и вертикальные сетки (между которыми расположен светящийся слой) вызывает свечение слоя в точке пересечения тех проволок, к которым подано напряжение. Степень, свечения зависит от величины напряжения и величины отраженных импульсов, принятых радиолокационной станцией.

Замена светящегося слоя трехслойным составом, имеющим свечение различных цветов (синий, красный и зеленый), должна давать цветные изображения. Перспективы применения цветных изображений в радиолокационной технике достаточно заманчивы; как показал опыт применения цветной телевизионной трубки в обычном индикаторе радиолокационной станции, в этом случае значительно легче распознаются движущиеся и неподвижные объекты, свои и чужие самолеты.

По аналогии со стереоскопическим кино ведутся разработки трехмерных радиолокационных индикаторов, дающих пространственное изображение обнаруженных целей. Для этого, например, предложено применять два обычных индикатора, расположенных рядом. Для соединения изображений возможны различные методы, представленные на рис. 39. В случае прямого наблюдения экраны индикаторов расположены рядом и за ними может наблюдать один оператор. Линию видимости можно физически разделить. Если в индикаторах применены электроннолучевые трубки с большим экраном, необходимо пользоваться зеркалами, облегчающими правильный выбор линии видимости. Пользование системой линз и экранами небольших размеров позволяет не прибегать к помощи зеркал, а располагать трубки так, чтобы расстояние между ними было равно расстоянию между глазами оператора. Это подобно применению стереоскопа при рассматривании двух снимков, приготовленных для правого и левого глаза. Полупрозрачное зеркало (пропускающее и отражающее свет в одинаковой мере) также может соединять два изображения, сочетание поляризующих фильтров и очков обеспечивает разделение линий видимости.

Рис. 39. Получение стереоскопического изображения на экране индикатора радиолокационной станции

Большое внимание, уделяемое разработкам стереоскопических индикаторов, объясняется тем, что они могут дать более наглядное изображение, легко поддающееся расшифровке, особенно в тех случаях, когда в объеме пространства, облучаемого радиолокационной станцией, находится много отражающих объектов. Подобное преимущество особенно важно в радиолокационной станции дальнего обнаружения, дающей информацию о большом количестве одновременно наблюдаемых объектов в воздухе. Не менее важно применение подобного индикатора и на аэродромной радиолокационной станции, ведущей наблюдение за пространством вокруг аэродрома. Современные аэродромные радиолокационные станции обычно определяют только дальность и азимут обнаруженных самолетов. Высоту их измеряет отдельная радиолокационная станция (наземный высотомер) или же эти сведения сообщают радисты самолетов по радио. Сообщения нередко задерживаются, что затрудняет оперативное управление движением самолетов в приаэродромной зоне.

Помимо создания новых конструкций электронных приборов и трубок, конструкторы радиолокационных станций работают над улучшением схем радиолокационных станций, в которых используются существующие типы ламп. Разработаны, например, так называемые индикаторы движущихся целей, в которых импульсы, отраженные от неподвижных объектов - мачт, высоких зданий, деревьев, холмов и т. д., мешающие наблюдать за импульсами от движущихся объектов - самолетов, кораблей, уничтожаются и на экран индикатора радиолокационной станции не попадают. Происходит это следующим образом. Импульсы, отраженные от всех объектов, облучаемых радиолокационной станцией, поступают в специальное накапливающее устройство; сюда же поступают и импульсы, принятые в момент следующего облучения. В накапливающем устройстве эти следующие друг за другом импульсы складываются, причем импульсы одного и того же характера (от неподвижных объектов, не меняющих своего положения) исключаются, а импульсы, изменившие свой характер (от движущихся целей), проходят на экран. Такое усовершенствование значительно облегчает работу оператора радиолокационной станции, хотя и не может полностью устранить все мешающие отражения (например, от деревьев, раскачиваемых ветром).

Чтобы ослабить влияние мешающих отражений от дождя, идущего на близком расстоянии от радиолокационной станции, а также от волн на море, затрудняющих обнаружение небольших объектов (буев, всплывших подводных лодок), применяется временная регулировка усиления сигналов, принимаемых приемником радиолокационной станции. Мощные сигналы от объектов, находящихся на близких расстояниях, почти не усиливаются. Более далекие и слабые импульсы, возвращающиеся к станции позднее, получают большее усиление.

Во время второй мировой войны произошел переход радиолокационной техники на работу в диапазоне сверхвысоких частот (сантиметровые волны). Применение очень коротких волн позволяло вести наблюдение за относительно небольшими объектами, повышало способность воспроизводить порознь импульсы, отраженные от находящихся близко друг от друга самолетов или кораблей, разрешающую способность радиолокационных станций. Длина рабочей волны радиолокационных станций последовательно сокращалась: с 10 см перешли на 3,2 см, а затем на 1,2 см. Однако на волнах около 1 см или еще более коротких (миллиметровых), приближающихся по длине к световым волнам, стали проявляться особенности, свойственные световым волнам: сильное поглощение атмосферой, в особенности парами воды. В силу этого радиолокационные станции на миллиметровых волнах не имели большой дальности действия. Однако в некоторых случаях ограниченная дальность действия миллиметровых волн приносит свою пользу. В Лондонском аэропорту, например, недавно установлена радиолокационная станция, работающая на волне 8 мм и предназначенная для воспроизведения на экране индикатора картины наземной обстановки на аэродроме независимо от оптической видимости: наличие самолетов на взлетно-посадочных полосах, их руление по земле, движение грузовиков с багажом и машин-заправщиков по аэродрому.

Для удобства пользования сведениями, получаемыми радиолокационными станциями, в современных конструкциях их предусмотрена возможность установки выносных дополнительных индикаторов. Такие индикаторы устанавливаются, например, на диспетчерских вышках аэродромов, на командных пунктах, в центрах управления артиллерийским огнем и т. д. Однако вследствие ограниченной дальности действия радиолокационных станций их приходится располагать возможно ближе к той зоне, за которой необходимо вести наблюдение. Поэтому местоположение радиолокационных станций чаще всего не совпадает с теми географическими пунктами, где получаемые донесения могли бы использоваться наиболее эффективно. Желательно передавать в пункт сбора донесений по возможности не только координаты обнаруженных целей, но и сами изображения с экранов индикаторов.

Как известно, радиолокационное изображение, так же как и телевизионное, состоит из электрических сигналов, которые, воздействуя на очень тонкий пучок электронов, вызывают свечение экрана электроннолучевой трубки. Казалось бы, можно просто вводить сигналы с выхода приемника радиолокационной станции в телевизионный передатчик. Однако процессы формирования обоих видов изображений различны. В индикаторе радиолокационной станции изображение получается при помощи потока электронов, вращающегося подобно секундной стрелке часов. В телевидении тот же поток электронов "рисует" изображения строка за строкой. Поэтому-то и необходимо преобразование радиолокационных сигналов в телевизионные с помощью промежуточной системы, а именно трубки с накоплением сигналов, о которой уже упоминалось выше.

По сообщениям печати, испытание такого способа преобразования и передачи радиолокационных изображений было проведено в одном из районов Парижа, где находилась радиолокационная станция. Антенна радиорелейной станции была установлена на втором этаже Эйфелевой башни. Прием радиолокационных сигналов, преобразованных в телевизионные, осуществлялся в другом районе города. Кроме того, для опыта эти сигналы передавались в Лилль, Лион, Марсель, Мец и Страсбург, где изображения ретранслировались по телевизионной сети, как обычные телевизионные передачи. Тысячи телевизоров превратились в этих городах в радиолокационные приемники. Изображения, получавшиеся на экранах телевизоров, существенно отличались от обычного радиолокационного изображения. Благодаря тому что трубка с накоплением сохраняла записанные сигналы в течение нескольких минут, зрители видели на своих экранах след, оставляемый самолетом.

Весьма большое значение отводится радиолокационной технике в системе управления реактивными снарядами. Так, американский зенитный управляемый снаряд "Найк" управляется сложной электронной аппаратурой, которая рассчитывает точку встречи выпущенного снаряда с самолетом противника. Точное наведение на самолет осуществляется с помощью так называемой головки самонаведения в снаряде. Самолет-цель при этом должен быть предварительно обнаружен радиолокационной станцией, которая затем переходит на сопровождение этой цели и подает в счетно-решающие приборы батареи координаты высоты, скорости и курса самолета. Первоначальные сведения о появлении самолетов-целей поступают от радиосети оповещения.

Батарея, выпускающая управляемые снаряды типа "Найк", имеет радиолокационную службу и стартовую площадку. Радиолокационная служба - наиболее сложный элемент. Она имеет ряд радиолокационных станций для перехвата воздушной цели, сопровождения ее и наведения снарядов. Одной из наиболее разработанных систем радиоуправления снарядом является система управления по радиолучу. Антенны, смонтированные в хвостовой части снаряда, служат для приема сигналов, удерживающих снаряд в пределах узкого конуса, образуемого излучением радиолокационной станции, сопровождающей цель. Основное преимущество такой системы - возможность управления несколькими реактивными снарядами с помощью одной радиолокационной станции, а недостаток - трудность нацеливания одного снаряда на данный самолет. В швейцарской системе управления по радиолучу, разработанной фирмой Эрликон, радиолокационная станция имеет антенную систему, создающую широкий и узкий радиолучи. Широкий луч (20°) служит для "улавливания" снаряда после его запуска, а узкий луч (3°) наводит снаряд на цель.

Вариантом этой системы является использование двух радиолокационных станций, из которых одна служит для наблюдения за самолетом-целью, а другая - для сопровождения самолета-цели и управления реактивным снарядом. Данные, полученные от обеих станций, поступают на счетно-решающее устройство, где используются для формирования командных сигналов, посылаемых по радио на снаряд для корректировки его курса. Однако и в этом случае радиолокационной станцией нельзя навести снаряд на один самолет в группе из двух иди трех самолетов, летящих тесным строем. Эту задачу выполняет система самонаведения, установленная на снаряде.

Системы самонаведения, служащие для управления снарядом на последнем этапе его полета, делятся на активные и полуактивные. В активных системах предусматривается установка на снаряде легкой радиолокационной станции малых размеров. Отраженная от самолета энергия используется для создания сигналов, управляющих гироскопами и следящей системой. Очевидные недостатки такой системы - значительный вес аппаратуры с системой питания и ее высокая стоимость.

Полуактивная система более подходит для запуска снарядов. В этом случае наземная или самолетная радиолокационная станция служит для облучения цели, а аппаратура на снаряде - для приема импульсов, отраженных от целей, и формирования на основании этого команд для управления рулями снаряда. Сложность систем наведения видна из того, что в некоторых реактивных снарядах необходимо разместить до 100 электронных ламп, которые, подобно другим радиодеталям, должны быть малыми по размерам, легкими, но достаточно прочными, чтобы выдержать значительные перегрузки при запуске снаряда.

После первых испытаний снарядов типа "Найк" в американской печати появились сообщения, что эти снаряды недостаточно надежны. По этим сообщениям, вся аппаратура системы насчитывает около 1,5 миллиона отдельных деталей. При таком количестве ламп достаточно выхода из строя хотя бы нескольких из них, чтобы привести не только к прекращению стрельбы, но и к длительным поискам причин повреждения. Отмечалась также малая помехоустойчивость наземных радиолокационных станций наведения системы "Найк". Снаряды "Найк", хранящиеся на складе, из-за воздействия атмосферы требуют регулярной замены или тщательной периодической проверки радиоаппаратуры в них.

Эти новые направления использования радиолокации сейчас настойчиво развиваются учеными ряда стран.