Приключения радиолуча - Валерий Родиков

Затем, если бы могли перестроить свой «глаз» на более высокие частоты в СВЧ-диапазоне, то наблюдали еще и водяной пар, кислород, другие компоненты земной атмосферы. Мы бы увидели кухни погоды, как зарождаются и скользят по океанским просторам тайфуны. В общем, перед нашими глазами предстала бы «живая» метеорология…

В последнее время в газетах нередко мелькают такие технические выражения: «боковая радиолокация», «радиолокатор бокового обзора», «синтезированная апертура». Эти понятия — часто синонимы.

Что же такое «синтезированная апертура»? Именно благодаря ей космические станции «Венера-15» и «Венера-16» смогли получить изображение поверхности Венеры. В течение восьми месяцев с октября 1983 года шла съемка. Радиолокационные снимки получились довольно подробными, и по ним учеными Института геохимии и аналитической химии АН СССР составлена геолого-морфологическая карта северного полушария планеты от полюса до широты 30 градусов.

Оказалось, что ее поверхность во многом напоминает земную. Там есть и горные массивы, и отдельные кратеры. Удалось также найти и самую высокую гору высотой 11,5 километра. Полученные карты свидетельствуют о том, что формирование лика планеты еще не завершилось. Возможна крупномасштабная тектоническая активность.

Как удалось радару разглядеть с высоты одной-двух тысяч километров детали поверхности размером один-два километра? Ведь для этого необходима огромная даже по земным меркам антенна — диаметром около 70 метров. Вывести на венерианскую орбиту такую громоздкую конструкцию пока еще трудно. А инженеры обошлись антенной гораздо меньшего размера — всего лишь 6 на 1,4 метра.

Понятно, что чем уже луч антенны, тем больше деталей на поверхности можно различить. Ширина же луча зависит от размера антенны и от длины волны. Чем больше ее размер и чем меньше длина волны, тем уже луч.

Большую антенну на космической станции или самолете не всегда можно разместить. У самолета, например, в подобном случае резко ухудшаются аэродинамические свойства. Чтобы не портить аэродинамику, иногда в качестве антенны приспосабливают фюзеляж самолета (такие системы также называются радиолокаторами бокового обзора). Но и тогда радиолокационным снимкам очень далеко до подробностей оптических фотографий. А длину волны тоже нельзя снижать до определенного предела, не то начнут влиять метеоусловия.

И вот в конце 50-х — начале 60-х годов возникла такая мысль — сделать большую антенну искусственно: за счет движения самолета. Идея заключалась в следующем. Небольшая антенна радара «смотрит» в сторону, перпендикулярную движению самолета. Отраженный от земли сигнал записывается в цифровое запоминающее устройство. Например, на «Венерах» запись производилась на специальную металлическую ленту. Слово «земля» для Венеры звучит несколько необычно, но понятно, что имеется в виду поверхность планеты. В процессе съемки поверхности Венеры информация записывалась в память, а затем считывалась и передавалась по радиолинии на Землю.

Чтобы получить синтезированный радиолокационный снимок, запомненные сигналы складываются когерентно, то есть с учетом их фазы, которую предварительно корректируют на основании данных о скорости космического аппарата или самолета. Эту операцию называют «фокусировкой синтезированной апертуры».

Метод синтезированной апертуры использовался в радиолокаторе, установленном на борту космического корабля «Аполлон-17», для исследования поверхности Луны. Такие же радары были опробованы на американских челночных кораблях «Колумбия» и «Чэлленджер». На радиолокационных снимках пустыни на юге Египта четко видны русла высохших больших рек, погребенных Сахарой, и многие ранее неизвестные подповерхностные особенности рельефа. Видимо пустыня пришла сюда сравнительно недавно…

В радиоастрономии тоже нашел применение принцип синтезированной апертуры — для наблюдения за космическими источниками радиоизлучений. В этом случае она создается за счет вращения Земли вокруг своей оси.

Современный морской флот и авиация немыслимы без радиолокации. Даже первые малосовершенные радары типа «Нептун» и «Створ», которыми оборудовались торговые и пассажирские суда в 50-х годах, позволили уменьшить аварии на море в 10 раз. Сейчас радарами оборудованы все морские и многие речные суда. Благодаря радарам повысилась не только безопасность, но и скорость движения судов.

Правда, и суда, оснащенные радарами, попадают в аварии. По сводке морских аварий 1958 года половина их произошла «при участии» локатора. Можно ли считать 50 процентов моряков-операторов разгильдяями? «Нет», — ответили ученые, изучавшие этот феномен. Многие аварии произошли из-за того, что усложнились взаимоотношения между человеком и техникой. При проектировании технических устройств не принимали во внимание «человеческий фактор». Оптимальным согласованием возможностей человека и техники занялась новая наука — эргономика. Сегодня ее значение особенно возросло. О сложностях взаимоотношений человека и техники в современном мире свидетельствуют крупные аварии на энергетических предприятиях, на море, на железных дорогах…

Многие читали роман Артура Хейли «Аэропорт» и получили представление о том, сколь велика психическая нагрузка диспетчера, когда на экране радара десятки самолетов. Малейшая ошибка может обернуться катастрофой. Немудрено, что не каждый может справиться с таким тяжким бременем. Поэтому и стараются автоматизировать процесс управления воздушным движением. Одна из отечественных систем — «Старт» — может следить сразу за 36 самолетами, находящимися в зоне аэропорта, давая о них нужные данные, которые позволяют управлять движением автоматически. «Старт» повысил пропускную способность аэропорта на 60 процентов, на 15—20 процентов сократилось время пребывания самолета в воздушном пространстве аэродрома. На первый взгляд скромные цифры. Но экономисты подсчитали, что годовая экономия на каждый самолет составила 2,5 миллиона рублей.

Антенны современных аэродромных радиолокаторов и радиолокаторов противовоздушной обороны представляют собой огромные сложные сооружения, насчитывающие до нескольких тысяч элементарных излучателей. Такие антенны называются фазированными решетками. Луч в них перемещается практически мгновенно из одной точки в другую по командам ЭВМ.

В обычных зеркальных антеннах, чтобы переместить луч, надо повернуть само зеркало, а на это уходят «дорогие» секунды. В фазированных решетках луч может выписывать в пространстве сколь угодно замысловатые траектории. Там, где сложная помеховая обстановка, он задержится подольше; области пространства, где все спокойно, — осмотрит побыстрее. Иногда в шутку говорят, что с помощью современной техники радиолокации об обнаруженном самолете можно узнать все, кроме фамилии летчика. Однажды довелось видеть художественный фильм о службе локаторщиков. Помню, удивил меня один кадр. По экрану радара ползет контур самолета. Постановщики фильма, конечно, перестарались. Цель на индикаторе кругового обзора будет все-таки в виде светящейся точки или дужки. Но, в принципе, в радаре может быть получено и изображение цели.

Одну из таких систем исследовали ученые Пенсильванского университета в США. Частота сигнала в подобном радаре изменяется скачком от импульса к импульсу, ступенчато. Каждая частотная ступенька-импульс, отразившись от цели, приобретает какую-то информацию о ее внешнем облике.

Но лишь по сигналу на одной частоте ничего определенного о форме объекта сказать нельзя. А вот когда частот будет много, несколько сот, то вся совокупность принятых сигналов, определенным образом скомбинированная в приемнике, превратится в радиолокационный портрет объекта, да такой, что на нем можно различить детали, отстоящие друг от друга на полметра. Правда, для этого нужно не только разнести частоты, но и вместо одной большой антенны использовать несколько небольших, расположенных друг от друга на некотором расстоянии.

Полученный радиолокационный портрет сравнивается в ЭВМ с имеющимися в ее памяти стандартными «картинками» возможных воздушных объектов. Так происходит распознавание типа летательного аппарата.

Такой радар можно сделать и в миллиметровом диапазоне. Тогда он уместится в небольшом ящичке. Специалисты подумывают об использовании его в качестве «глаз» для ЭВМ, роботов и вместо рентгена в медицине.

Достижения радиолокации сейчас широко используются в разных областях радиоэлектроники: при создании систем навигации, телевидения, связи, в том числе радиорелейной и космической, в исследовательской аппаратуре. Так часто бывает — очень важная область техники, быстро развиваясь, становится мощным стимулятором развития целого ряда отраслей знания.