Приключения радиолуча - Валерий Родиков

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.

В связи с развитием цифровой техники в современных радарах все чаще используется активный вариант согласованного фильтра — коррелятор. Это устройство с двумя входами. На один из них поступает сигнал с входа приемника, а на другой — копия излученного сигнала. Если принятый сигнал похож на копию, тона выходе коррелятора (коррелятор осуществляет две операции: умножение и накопление) появится сжатый сигнал, конечно, с боковыми лепестками, как и в пассивном согласованном фильтре. С точки зрения математики, согласованный фильтр и коррелятор — устройства тождественные. В отличие от пассивного согласованного фильтра, корреляторов надо множество: на каждый элемент дальности, поскольку копия должна совпадать по времени с приходом отраженного от цели сигнала. Но сейчас, в эпоху микроминиатюризации, это не столь уж серьезный недостаток.

Зато коррелятор универсален. При смене сигнала не надо нового согласованного фильтра, а ведь современный радар имеет в своем арсенале, как правило, несколько разных сигналов. Чтобы перейти на новый вид сигнала, достаточно поменять копию.

В 50-е годы под радиолокацию была подведена и теоретическая база. Раньше, когда проектировали РЛС, полагались в основном на инженерный опыт. К счастью, он не противоречил разработанной теории, а скорее подтверждал ее правильность. Научной основой радиолокации стали теория вероятностей и математическая статистика. Плодотворность нового подхода показал в 1946 году в своей докторской диссертации будущий академик В. А. Котельников. Большую роль в распространении статистических методов среди инженеров-локаторщиков сыграла книга Вудворта «Теория вероятностей и теория информации с приложениями в радиолокации», вышедшая в 1953 году.

По теории, прием сигнала, будь то в радиолокации или в линии связи, сводится к угадыванию: присутствует на входе приемника сигнал вместе с шумом или только шум. В любой из этих ситуаций шум присутствует всегда. «Шум, как и бедность, являются неизбежным явлением», — невесело пошутил в годы Великой депрессии, охватившей Америку в конце 30-х годов, один известный американский радиоинженер.

Так что же шумит в радиоаппаратуре? Ну, во-первых, эфир сегодня всюду насыщен радиоволнами. Их источников великое множество: и молнии, и полярные сияния, и разного рода радиостанции, электромоторы… Перечисление всех источников радиоизлучений займет, пожалуй, не одну страницу, и постепенно открываются все новые источники помех…

Например, в результате исследований, проводимых американскими полярниками на радиостанции в Антарктиде, обнаружено, что магнитосфера, то есть та область, где магнитное поле Земли захватывает потоки заряженных частиц, сама является генератором всевозможных радиосигналов и шумов, всяких там свистов и щебетаний. Мало того, эта область имеет свойство обогащать радиоволны, проходящие сквозь нее, новыми и довольно мощными частотными составляющими.

Складываясь в антенне, радиоизлучения от разных мешающих источников, как природных, так и естественных, и создают напряжение, маскирующее полезный сигнал. По-видимому, первые радисты, принимавшие морзянку, и назвали помехи, проявлявшие себя в виде щелчков, свистов, шорохов, тресков, завываний, шумом.

Но не только эфир поставляет шумы. Шумит и сам приемник, в основном его первые каскады. Это так называемый тепловой шум, вызванный хаотическим движением электронов в элементах схемы. Чем выше температура, тем интенсивнее движение электронов, тем сильнее шумит приемник. Специалисты применяют разные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Первых — потому что именно их шум усиливается последующими каскадами. Поэтому чем ближе усилительный каскад к входу приемника, тем большую шумовую лепту он вносит.

А для военных станций кроме уже упомянутых шумов есть еще и умышленные помехи, причем ассортимент их весьма разнообразен. И против каждого вида умышленных помех, как правило, придумывают специальную схему защиты.

Теперь, когда мы выяснили, что такое шумы, вернемся опять к обнаружению. Упрощенно оно производится так. В приемнике выставляется пороговый уровень. Если сигнал превысил порог, то считается, что цель обнаружена, если нет, то считается, что цель отсутствует. Поскольку шумы, да и сигналы тоже, суть случайные процессы (их поведение заранее точно предсказать невозможно, то есть нельзя сказать, каковы точно будут амплитуда и фаза полезного сигнала, какова будет величина шума в момент прихода сигнала, да и сам момент времени неизвестен), то при вынесении решения возможны ошибки.

Во-первых, может возникнуть такая ситуация. Цели нет, а шумовой выброс превышает порог. Все может быть в мире случая. Такая ошибка называется ложной тревогой, и она далеко не безобидна, особенно для автоматизированных систем, где нет оператора, контролирующего положение. Ложная тревога может привести к несанкционированному пуску ядерных ракет, короче говоря, к войне. Сколько раз об опасных ошибках такого рода сообщалось в печати. Например, в докладе, опубликованном сенатской комиссией США по делам вооруженных сил в октябре 1980 года, говорилось, что за 1,5 года на командных пунктах штаб-квартиры командования ПВО от системы предупреждения поступило 3703 ложных сигнала о начале ядерной атаки на США. А в период с 1977-го по 1984 год компьютерные системы средств раннего предупреждения дали свыше 20 тысяч ложных сигналов о нападении на США, из которых пять процентов имели опасный характер и потребовали дополнительной проверки.