Радиолокация без формул, но с картинками

Размахин Михаил Константинович

Часть вторая

КАК ОНА РАБОТАЕТ

 

 

С кем бы познакомиться поближе

Итак, в общих чертах мы уже познакомились с радиолокацией. Рассмотрели целый ряд различных станций, каждая из которых добросовестно выполняет порученные ей обязанности. Но наши знания пока несколько односторонни, не правда ли? Мы знаем, что может каждая станция, но не знаем пока, как она это делает. Постараемся восполнить этот пробел.

Какую бы станцию рассмотреть? Может быть, все станции, о которых мы рассказали в первой части книжки? Но, как говорят авторитеты, «нельзя объять необъятное». В научно-технической книге в таких случаях пишут: «К сожалению, небольшой объем не позволяет нам подробнее остановиться на этой интересной проблеме».

Так что не будем ставить перед собой непосильных задач и выберем путь попроще. Посмотрим, как работает одна станция. При этом мы познакомимся и с общими принципами работы радиолокационных систем и с особенностями работы именно этой, избранной нами станции. Да, но как выбрать образцовый объект?

Для решения этой важной проблемы можно предложить несколько методов.

Метод первый: теоретико-вероятностный. Выписываем названия всех станций на маленьких билетиках, свертываем их в трубочку и складываем в шапку. Потом просим незаинтересованное лицо, например милую толстушку соседку-второклассницу Олю, вытащить какой-нибудь билетик. Так и определится станция, о которой нужно рассказать. Преимущество этого метода — полная объективность выбора. Но слепой жребий может выбрать нетипичную или устаревшую станцию. О некоторых специфических типах станций автор, к сожалению, не сможет рассказать так подробно, как это сделают специалисты в данной области. При этом, конечно, проиграет и читатель, и сам автор.

Метод второй: социологический. Предполагаемым читателям рассылается анкета, где перечислены станции, о которых автор может рассказать нечто вразумительное. По большинству поданных голосов и выбирается героиня рассказа. Сам по себе метод неплох. Но здесь автора испугал объем предстоящей работы, связанной с размножением и рассылкой анкет, сбором ответов и обработкой результатов на вычислительной машине (какой же уважающий себя социолог теперь обрабатывает результаты вручную?). Кроме того, просто жаль времени, которое нужно потратить на все эти операции.

Метод третий: волевой. Читатель полностью лишен возможности влиять на выбор станции. Делает это автор, руководствуясь своими привязанностями и имеющимся у него объемом информации о различных типах станций. При этом он торжественно обязуется в меру сил принимать во внимание и интересы читателей. Тем, кого все же не устраивает выбор автора, мы, видимо, ничем помочь не сможем. Правда, в сносках указано довольно много книг и статей по радиолокации, в которых можно найти описания станций других типов, и любознательным читателям мы рекомендуем покопаться в этой литературе самостоятельно.

Итак, выбор сделан. Мы выбрали современную, мощную радиолокационную станцию обнаружения и сопровождения космических объектов: спутников, пилотируемых и автоматических космических кораблей, баллистических ракет. Сначала несколько слов о том, как выглядит наша знакомая. Представьте себе одну из трибун стадиона, например, трибуну плавательного бассейна в Лужниках. Примерно такую же форму имеет здание, в котором размещается наша станция. Правда, это здание все-таки поменьше трибуны. Та плоскость, где на трибуне расставлены скамьи для зрителей, в радиолокационной станции занята приемной и передающей антеннами. Само помещение разделено на залы и лаборатории, в которых и размещается оборудование радиолокационной станции.

Предположим, что мы сдали весьма строгие экзамены по технике безопасности и получили разрешение провести экскурсию по всем этажам здания. Да, еще нужно выбрать время, когда станция не работает, так как во время работы даже специалистам, обслуживающим станцию, в некоторые помещения заходить запрещается. Обычно это залы, где работают мощные энергетические установки, от близкого знакомства с которыми удерживает известный всем плакат с молнией и некоторыми экспонатами анатомических музеев. Нельзя мешать и операторам центрального пульта, где собраны контрольные приборы и индикаторы. Работа операторов требует максимальной собранности и сосредоточенности, так что не стоит их отвлекать.

Но вот экскурсия началась. Проходим зал за залом и в каждом видим примерно одно и то же: вдоль стен длинные ряды железных шкафов (специалисты называют их стойками). Кое-где шкафы открыты — пока станция не работает, инженеры и техники проводят профилактику, заменяют сомнительные узлы и детали. Если заглянуть внутрь стойки, то можно увидеть переплетение разноцветных проводов, толстые кабели в пластиковой или металлической оболочке, тысячи ламп, транзисторов и много других приборов, вобравших в себя последние достижения электроники, оптики, механики, в общем, всех отраслей современной науки.

А вот и центральный пульт. Сейчас здесь пусто. Тускло отсвечивают равнодушные и пустые экраны индикаторов, неподвижны стрелки сотен контрольных приборов, зачехлен микрофон внутренней связи.

Но как только станция включится в работу, за пульт сядут люди, управляющие станцией, засветятся синеватые или зеленоватые экраны индикаторов, размеренно заскользит по ним яркий луч развертки, отмечая цели всплеском светового пятна. Включаются кинокамеры и магнитофоны, записывающие весь ход работы. Потом в спокойной обстановке специалисты оценят по данным, зафиксированным на магнитных лентах и кинопленке, как работала станция. Выполнить такую оценку в ходе работы и обработать сигнал от цели может только быстродействующая вычислительная машина. Она и размещается в тех залах, куда мы попадаем, выйдя из помещения центрального пульта. Ни одна современная радиолокационная станция уже не может обойтись без вычислительной машины и зачастую качество работы станции в значительной мере определяется объемом памяти машины и скоростью, с которой она выполняет вычисления.

Идем дальше, приоткрываем дверь в большой зал, где стоят внушительные на вид устройства. Специалист-электротехник без труда узнает трансформаторы, выпрямители и другие приборы, снабжающие нашу станцию электроэнергией. Еще бы им не быть внушительными! Ведь радиолокационная станция потребляет во время работы столько электроэнергии, сколько ее нужно небольшому городу. И хотя сейчас приборы не работают на полную мощность, негромкий, басовитый их гул и вся обстановка невольно внушают почтение и мы осторожно закрываем дверь.

Закон природы гласит, что скорость движения экскурсантов всегда возрастает по мере продвижения к концу экспозиции. Поэтому мы ускоренным шагом (бегом неприлично) проходим по залу, где стоят системы, охлаждающие радиоэлектронную аппаратуру во время работы, и другие вспомогательные устройства.

Ну вот, кажется, и все. Разобрались в своих впечатлениях? Как вам понравилась выбранная автором станция? Если понравилась, то читайте дальше, будем разбираться, как она работает. Но прежде всего ответим на вопрос…

 

Как оценивают знакомую?

Скажем сразу, что автор считает читателя серьезным молодым человеком, склонным к анализу своих действий. Будем считать априори, что это не идеалист, который может влюбиться, что называется по уши, но не может объяснить заинтересованной публике, за что же он любит свою избранницу. Интересно, как этот серьезный молодой человек выбирает из круга знакомых девушек ту, общению с которой он намерен посвятить все свое свободное от работы время. Мне кажется, что ответ может выглядеть примерно так.

Во время знакомства я оцениваю в девушке некоторый небольшой набор качеств, или, выражаясь техническим языком, параметров. Ну, скажем, цвет волос и глаз, изящество манер, размер обуви, свойства характера самой девушки и будущей тещи, степень взаимности, проявляемая девушкой, время, затрачиваемое на проводы после очередного свидания, число пересадок… Кажется, все. Некоторые из перечисленных параметров, такие как свойства характера или рост, для меня существенны (не всем юношам нравятся девушки выше их ростом), другие могут и не играть важной роли, например размер обуви.

Некоторые параметры невозможно полностью оценить за время знакомства (характер девушки и тещи), другие можно. Если воспользоваться методом, предложенным Я. И. Хургиным в книге «Ну и что?», то надо составить табличку, где каждая кандидатура оценивается по всем качествам, скажем, по пятибалльной системе, подсчитать сумму баллов и выбрать ту, чья суммарная оценка выше.

Итак, серьезный молодой человек умеет (или думает, что умеет) оценивать качества своей знакомой и по ним судить, насколько она близка к его идеалу. Мы находимся в худшем положении. Ведь пока нам неизвестно, как оценивать радиолокационную станцию. По числу этажей здания, где она размещается, или по общему весу ее оборудования? Даже не посвященному в таинства радиолокации ясно, что такие оценки ни к чему хорошему не приведут. Пока что более сложная и более мощная станция, конечно, крупнее, но с развитием методов миниатюризации и разработкой новых элементов схем станции следующих поколений, становясь совершеннее, будут иметь меньшие габариты. Значит, надо разобраться детальнее.

Вводим новое действующее лицо — заказчика. Хотя с точки зрения всеобщего прогресса он персонаж положительный, так как, тормоша специалистов, он вынуждает их развивать и совершенствовать станции, все же общение с ним не всегда приятно. Ведь он все время чего-то требует, а это не самое приятное свойство человека, не правда ли?

Заказчик нашей станции требует, чтобы ему построили станцию с большой дальностью действия, с высокой точностью определения местоположения целей, с хорошей разрешающей способностью и высоким темпом обзора. Ничего себе списочек для одной станции! Но постойте-ка, тут сразу четыре абсолютно непонятных термина! Поясним.

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 не понятно (не забывайте, что Вы смотрите сверху!). Вы видите лишь группу футболистов.

В этом случае Вы цели «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.

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 возникнут 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.

Хотя с помощью одной антенны нельзя осуществить круговой обзор, все же большой сектор пространства находится под непрерывным наблюдением. Если нужен круговой обзор, то придется строить несколько станций, направленных в разные стороны. Темп обзора в этом случае зависит от того, сколько раз в секунду станция может просмотреть свой сектор. Заказчик хочет, чтобы темп обзора был высоким? Ну что же, если выделены соответствующие средства и приложены соответствующие усилия, то в большинстве случаев это требование удовлетворить удается.

Подведем некоторые итоги. Мы знаем, как можно выполнить примерно половину требований заказчика. Но за нами остался долг — неразрешенный конфликт между остальными требованиями. Для выхода из любой конфликтной ситуации всегда можно найти компромиссное решение. Об этом и пойдет речь в следующей главе, в которой мы узнаем…

 

Как это у нее получается? I

Чтобы не испытывать терпения читателя, ответим сразу, хотя, может быть, и не совсем понятно. За счет выбора подходящего сигнала и его обработки на приеме с помощью согласованного фильтра. А теперь попробуем разобраться.

Задолго до того, как радиоинженеры превратят бумажные схемы в сложные электронные блоки, а строители возведут конструкции из стали и бетона, специалисты из теоретических отделов начинают ломать головы и копья (то бишь авторучки марки «Союз») в спорах о том, каков должен быть сигнал будущей станции. И действительно, задача не из легких. Напомним требования к сигналу.

Сигнал должен иметь большую энергию. При ограниченной мгновенной мощности это означает, что у него должна быть большая длительность. А для высокой точности определения координат и разрешающей способности хотелось бы иметь как можно более короткий сигнал. И это еще не все. Заказчику нужно, чтобы слабый отраженный сигнал можно было принять и обработать на фоне достаточно сильных помех. Задача осложняется еще и многообразием различного вида помех. Тут и естественные помехи от грозовых разрядов, и собственный шум приемника, и помехи от работающих рядом электроустройств, и целый ряд других шумов. А если станция будет работать в боевой обстановке, то возможно появление преднамеренно создаваемых противником искусственных помех. И вот среди этого разноголосого хора помех нужно услышать тоненький и слабенький голосок отраженного сигнала.

Скажем по секрету, что и это еще не последнее требование заказчика. Но для нас хватит и уже перечисленных. И так задача, стоящая перед теоретиками, достаточно сложная.

К тому же радиоинженеры, которым предстоит разрабатывать и создавать аппаратуру, требуют, чтобы теоретики не отрывались от грешной земли. Их блестящие идеи должны быть осуществимы при сегодняшнем уровне техники. Кроме того, реализация предложений теоретиков не должна обходиться слишком дорого. Больше всего разработчиков устроил бы такой проект новой станции, в котором все новые устройства и схемы можно было бы собрать из уже имеющихся, отработанных в производстве элементов. Это и удобно и выгодно, так как станция будет готова раньше и работать она будет надежнее. Но иногда старыми схемами и элементами не обойдешься. Поэтому для реализации какого-нибудь оригинального решения приходится разрабатывать принципиально новые схемы. И снова встречаемся с противоречием на этот раз между интересами теоретиков и производственников. Как всегда, находится компромиссное решение. В чем-то уступают теоретики, на что-то скрепя сердце соглашаются разработчики и производственники.

Надо сказать, что в последнее время в таких спорах чаще побеждают теоретики. Можно понять почему. В первые годы развитие радиолокации шло в основном за счет улучшения технических характеристик радиолокационных станций. Повышалась мощность передатчиков, увеличивались антенны, осваивались новые диапазоны волн. Все это, конечно, улучшало качество радиолокационных станций. Но в какой-то момент стало ясно, что разработчики выжали из техники все, что можно, точнее, почти все, что можно. А требования непрерывно растут. И вот тут-то на первый план вышли теоретики. Их исследования показали, что только за счет использования сигналов подходящего вида и новых методов их обработки можно существенно улучшить характеристики радиолокационных станций. Это был крупный качественный скачок в теории и практике радиолокации. Он произошел в годы второй мировой войны практически одновременно в нашей стране, США, Англии и Германии.

Сигналы, которые спасли радиолокацию от застоя, как гуси спасли Рим от гибели (оба утверждения оспариваются), имеют много названий. Их называют сложными, широкополосными, шумоподобными, псевдослучайными, составными и, кажется, еще как-то. Но не будем углубляться в вопросы терминологии, а попробуем разобраться в существе дела.

Умные люди, которых немало среди теоретиков, заметили лазейку в противоречивых требованиях к сигналу. Обратите внимание: длинный сигнал нужен нам при передаче (требование большой энергии), а короткий— при приеме, когда определяем координаты и производим разрешение целей. Так нельзя ли создать такие сигналы, которые при передаче имели бы большую длительность, а при приеме становились бы короче. Оказывается можно, и как только сформулировали требования, так сразу же был предложен целый ряд сигналов, которые можно «сжимать» в приемнике.

Представляя ход дела таким образом, мы кое в чем грешим против истории. На самом деле было так.

Лет 30–35 назад, когда создавались первые радиолокационные станции, еще никто не выдвигал требований точного измерения дальности и хорошего разрешения. Не до этого было. Нужна была просто работоспособная станция, которая могла хотя бы обнаруживать цель как угодно. Но уже тогда наряду с другими вопросами специалисты занимались изучением входных устройств приемников радиолокационных станций, которые обычно называют фильтрами. Они, как и обычные химические фильтры, должны разделять попадающую в них смесь на отдельные составляющие. В нашем случае из смеси полезного сигнала, шумов и помех нужно было выделить один полезный сигнал. В радиотехнике, а значит и в радиолокации, это можно сделать, настраивая приемник на ту полосу частот, в которой ожидается сигнал. Кто настраивал приемник к поисках веселой танцевальной музыки или захватывающего футбольного репортажа, тот выполнял именно эту задачу. В радиолокации полоса частот ожидаемого сигнала известна, так как мы сами его излучаем. А значит фильтр в приемнике нужно настроить именно на эти частоты, и тогда все нежелательные сигналы и помехи не будут нам мешать, конечно, за исключением помех, которые имеют частоты, попадающие в нашу полосу. С ними обычно частотному фильтру бороться трудно.

Специалисты очень любят оптимизировать все, что попадает им в руки. Так и в этом случае им захотелось создать оптимальный фильтр. Он должен был как можно лучше пропускать сигнал и как можно сильнее задерживать или подавлять помехи и шумы. Тут математики сделали свое дело: решили проблему оптимизации и постановили, что за исключением некоторых, не столь уж важных деталей, частотные свойства оптимального фильтра должны по существу совпадать с частотными свойствами сигнала.

Значит, для каждого сигнала надо подобрать оптимальный фильтр, который соответствовал бы только этому строго определенному сигналу. Фильтр настроен не только на ту или иную полосу частот, но и на характер поведения частоты сигнала в этой полосе. Если на какой-то частоте энергия сигнала велика, то эту частоту фильтр пропускает лучше, где энергия сигнала меньше, там фильтр хуже пропускает сигнал и сопутствующий ему шум. Фильтр согласован с сигналом. Поэтому его и назвали согласованным фильтром. Пройти через такой фильтр сигналам другого вида, даже занимающим ту же полосу частот, довольно трудно. Иначе на выходе от них могут остаться «рожки да ножки», и мы не заметим такой сигнал на фоне помех, пропускаемых фильтром. Что поделаешь: с ними фильтр не согласован.

Если обычный частотный фильтр можно сравнить с калиткой, через которую может пройти любой прохожий, идущий по этой дороге, то согласованный фильтр — лазейка в заборе, в которую может пролезть лишь тот, у кого фигура соответствующим образом «согласована» с этой лазейкой.

Итак, цель достигнута, создали схему фильтра, который оптимально выделяет сигнал на фоне помех. Назвали его согласованным фильтром и понесли проект к разработчикам. И тут-то оказалось, что разработчики не могут реализовать этот проект в «железе». Не было еще ламп, линий задержки и других устройств, без которых создать генераторы сложных сигналов и согласованные фильтры попросту невозможно. И гениальные идеи теоретиков остались лежать в папках патентных бюро, как изящные безделушки, демонстрирующие силу человеческого разума и представляющие чисто академический интерес.

Однако по мере развития техники необходимые устройства были в конце концов разработаны и у специалистов возродился интерес к согласованным фильтрам. К началу 50-х годов почти во всех ведущих научно-исследовательских лабораториях технически развитых стран уже проводились исследования по возможности внедрения согласованной фильтрации в практику.

Постепенно появлялись макеты, а затем и рабочие образцы станций, в которых использовались согласованные фильтры. Они, как говорится, пошли в жизнь. Тут выяснилось еще одно интересное свойство таких фильтров. В некоторых случаях форма сигналов на выходе согласованного фильтра изменялась по сравнению с формой входного сигнала. Амплитуда сигнала возрастала, зато сам сигнал укорачивался. Правда, это происходило лишь в тех случаях, когда используемые сигналы имели достаточно большую базу (базой сигнала называют число, равное произведению длительности на занимаемую им полосу частот). Так вот, чем больше была база сигнала, тем сильнее он укорачивался и тем выше поднимался пик амплитуды над уровнем шума. Если бы нас интересовало сохранение формы принятого сигнала, то мы сочли бы этот эффект чрезвычайно вредным и постарались бы от него избавиться. Но поскольку для нас важно лишь обнаружение сигнала, то есть установление самого факта его существования, то поднятие пика сигнала над уровнем шума мы всемерно приветствуем.

Вы уже, вероятно, заметили, что в тексте то и дело встречаются слова «шум» и «помеха»? Эти слова, конечно, известны каждому читателю. Но их точное значение в применении к радиолокации нуждается в разъяснении. Поэтому мы на некоторое время прервем плавный ход изложения и познакомимся с этими понятиями поближе.

 

Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?

Итак, поговорим о шумах. Понятие о шуме есть у каждого читателя, правда, у каждого свое. Один под шумом понимает визг и скрежет трамвая, проходящего ночью под его окнами, другой — равномерный гул голосов, мешающий читать лекцию, и так далее. Во всех этих примерах есть одна общая черта. Здесь в качестве шума выступает звуковой процесс, воздействующий на наши слуховые органы. Но наблюдение и обработка сигналов производится в радиолокационной станции в абсолютной тишине. Что же здесь является шумом, мешающим наблюдению сигнала?

Началось все, по-видимому, с радистов, которые вылавливали морзянку из свиста, завываний, тресков, шорохов, щелчков и других звуков, раздававшихся в наушниках и мешавших приему. Для них это был шум в привычном для нас смысле слова. В радиолокации, которая развивалась на базе радиотехники и заимствовала используемые в ней понятия, этот термин сохранился. Его стали использовать для обозначения любого случайного процесса, мешающего приему сигнала. Если обнаружение сигнала выполняет оператор, наблюдающий за экраном индикатора, то для него шумом будут случайные выбросы луча развертки, образующие бахрому. Когда она невелика по амплитуде, то ее ласково называют «травкой» (посмотрите на рисунок на стр. 84.

Похоже, не правда ли?). Если случайные выбросы достаточно высоки, а отраженный сигнал слаб, то могут произойти два неприятных события. Во-первых, мы можем не заметить слабый полезный сигнал среди шумовых выбросов. Это пропуск цели со всеми вытекающими отсюда последствиями. Какими? Пусть каждый читатель представит себе в меру своей фантазии.

Во-вторых, один из сильных шумовых выбросов мы можем принять за полезный отраженный сигнал и доложить об этом по команде. В этом случае произойдет ложная тревога. Событие тоже не из приятных. Правда, опытнее операторы иногда могут обнаруживать сигналы, уровень которых ниже уровня шума. Дело в том, что шумовые импульсы случайны, они то появляются, то исчезают, а сигнал, даже слабый, в некотором роде стабилен и появляется в одном и том же месте (если не учитывать перемещения цели). Вот по этому признаку его и обнаруживает опытный оператор. В этом смысле операторы с большим стажем как бы представляют собой весьма неплохие фильтрующие системы. Однако надежность такого обнаружения все-таки мала.

Откуда же берется эта травка и что заставляет луч развертки метаться вверх и вниз вместо того, чтобы спокойно двигаться по горизонтали? В наше время эфир в любой точке земного шара насыщен электромагнитными излучениями. Радиоволны, возникающие при грозовых разрядах в атмосфере или во время полярных сияний, при работе различных электрических систем от мощных энергоустановок до систем зажигания автомобилей (именно этот случай и показан на рисунке), передачи мощных вещательных станций и сигналы коротковолновых передатчиков радиолюбителей — вот далеко не полный перечень виновников возникновения шумов и помех. Складываясь, все эти сигналы создают на антенне шумовое напряжение, величина которого случайно меняется во времени. В какой-то момент интенсивность посторонних сигналов на антенне будет мала и луч развертки практически не отклонится от горизонтальной линии; в следующий момент интенсивность шума возрастет и луч резко отклонится от горизонтали. Так мы и получаем «травку» на экране индикатора.

Существует и другой вид шума — тепловой шум в элементах схемы. Особенно заметную роль он играет во входных каскадах приемника, так как полезный сигнал слаб и тепловой шум может быть сравним с ним по величине. В последующих каскадах и сигнал, и тепловой шум будут одинаково усиливаться. Поэтому чем ближе источник теплового шума ко входу приемника, тем больше каскадов усиления проходит шум и тем более вредное действие он оказывает на работу станции. Специалисты применяют все возможные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Снижение температуры уменьшает уровень теплового шума, однако полностью избавиться от него невозможно, и тепловой шум всегда вносит свой вклад в травку на экране индикатора.

Уж если мы хотим составить полный список виновников возникновения шумов, то надо упомянуть и космические шумы. Это случайные электромагнитные излучения, приходящие к нам из просторов Вселенной. Работе обычных радиоприемников они чаще всего помех не создают, так как интенсивность их невелика. Но чувствительные антенны радиолокаторов улавливают и эти слабые сигналы, мешающие приему отраженных сигналов радиолокатора.

Интенсивность шума непрерывно изменяется. Поэтому для характеристики шума обычно используют величины, полученные в результате той или иной операции усреднения амплитуд отдельных шумовых выбросов. Чаще всего используют среднее значение шума (то есть величину, полученную усреднением амплитуды шумовых выбросов за длительный период) и дисперсию шума. Последняя величина характеризует отклонение амплитуды шума от среднего значения и позволяет оценить вероятность появления очень больших и очень малых шумовых выбросов.

Возьмем запись какого-нибудь шумового процесса и проведем линию, соответствующую его среднему значению, потом еще две линии: одну выше среднего значения, другую ниже. Расстояние между этими линиями и средним значением примем равным утроенному корню квадратному из дисперсии (то есть утроенному среднеквадратичному отклонению). При этом окажется, что амплитуды практически всех шумовых выбросов окажутся внутри этой полосы. В среднем только пять выбросов из тысячи могут превысить заданные нами границы. Значит, если полезный сигнал настолько велик, что значительно превышает верхнюю границу шумовой полосы, то мы практически всегда отличим его от шумового выброса. Если полезный сигнал мал и его уровня достигает большое число случайных выбросов, а некоторые даже превосходят его, то обнаружить полезный сигнал очень трудно, а иногда и невозможно.

У полезного сигнала кроме шума есть и еще один враг — помехи. Чем отличается помеха от шума? Обратимся к примеру. Вы сидите в зрительном зале перед началом спектакля. Занавес еще не поднят, и в зале стоит равномерный шум. Он складывается из негромких разговоров сидящих в зале, шума шагов зрителей, которые спешат занять свои места, поскрипывания кресел и так далее. Это шум. Он не мешает Вам вести приятную беседу с соседкой. Но вот начался спектакль и в зале установилась тишина. Вы напряженно следите за действием пьесы, и вдруг рядом с Вами кто-то вполголоса начинает оценивать прическу или костюм главной героини. Говорит всего один человек и, казалось бы, негромко, но слушать уже, что происходит на сцене, невозможно. Разговор соседей не только мешает, но и раздражает. Так вот, шум зала — это случайные шумы в приемнике, а разговор соседей — это помеха. Точно таким же примером помехи может служить назойливый знакомый, вмешивающийся в мирную беседу двух друзей, чтобы рассказать бородатый анекдот.

Итак, на техническом языке помехой называют достаточно сильный и не случайный сигнал какой-либо посторонней станции, который мешает работе приемного устройства. Хорошо еще, если нам будет мешать только одна станция, чаще же источников помех оказывается довольно много.

Иногда шумы и помехи различают и по их частотным свойствам. Если интенсивность шума равномерно распределена в большой области частот, то есть его мощность одинакова для любого участка диапазона частот, то специалисты говорят о «белом» шуме. Если мощность шума в одних участках полосы частот больше, а в других меньше, то тогда мы имеем дело с «цветным» шумом. При выборе таких названий важную роль сыграла аналогия с электромагнитными волнами светового диапазона. Если в излучении равномерно представлены все частоты видимого диапазона, то мы видим белый свет. Если преобладает какая-то одна частота или группа частот, то световой пучок представляется нам окрашенным в какой-либо цвет.

Радиотехники любят «белый» шум и очень не любят цветных шумов. Тут ни при чем расовые предрассудки радистов. Просто и методы расчета характеристик приемника, и способы уменьшения влияния шума лучше разработаны для случая белого шума, поскольку расчеты в этом случае проще, а при цветных шумах все значительно сложнее.

Тепловой шум обычно можно считать «белым», а вот суммарный шум от посторонних источников радиоизлучения может быть и цветным. Так бывает, когда в каком-то одном участке диапазона частот источников шумов больше или они интенсивнее, чем в других.

Помехи тоже можно различать по их частотным свойствам и по длительности. Может встретиться узкополосная (занимающая узкий участок диапазона частот) непрерывная помеха. На звуковых частотах примером такой помехи является монотонный вой сирены, для радиочастот — синусоидальное колебание, которое непрерывно излучает какой-нибудь посторонний генератор. Если этот сигнал будет достаточно сильным и попадет в полосу частот радиолокатора, то он может вызвать засветку горизонтальной полосы, перекрывающей всю ширину экрана индикатора. Высота такой полосы зависит от характеристики помехи. В этом случае оператор часто не может обнаружить цель.

Нередко в радиолокации сталкиваются и с другим видом помех — импульсными помехами. Уже из названия ясно, что в этом случае сигналы мешающей станции имеют вид коротких импульсов. Спектр короткого импульса занимает большую область частот, и чем короче импульс, тем шире эта область. Поэтому такие сигналы могут мешать станциям, работающим на разных частотах. На экране индикатора в момент прихода к антенне сигнала импульсной помехи возникает всплеск луча развертки, который вполне можно принять за полезный сигнал от цели. Чем больше таких импульсов и чем они мощнее, тем труднее оператору опознать полезный сигнал.

Как ни странно, но работающая радиолокационная станция иногда создает помехи для самой себя. Это так называемые «отражения сигнала от местных предметов». Если их много, то и на экране радиолокатора появится много отметок от неподвижных объектов (таких как крупные здания, холмы, трубы заводов и так далее). На фоне этих отметок очень трудно вести наблюдение за истинными целями. Можно, конечно, не опускать антенну радиолокатора так, чтобы местные предметы не попадали в поле зрения. Но тогда выпадает из поля зрения очень большой сектор пространства. Американские специалисты выбрали, например, другое решение. На полигоне Уайт-Сэнде они возвели вокруг радиолокационной станции металлический забор высотой 32 метра, окружность его равна 670 метрам. Укрепленная на стальном каркасе стальная сетка с ячейками размером 1,27Х1,27 сантиметров надежно защищает станцию от радиосигналов, отраженных от окружающих гор и крупных зданий.

Есть, конечно, и другие виды помех и все они так или иначе затрудняют работу радиолокационной станции. Помеха может возникнуть и случайно. Ну, например, какой-нибудь радиолюбитель заберется в чужую область частот и начнет передавать в эфир джазовую музыку или халатный шофер поставит около станции свою машину с неисправной системой зажигания. Это чисто случайные явления, которые заранее не предусмотришь. А вот в чем можно быть уверенным заранее, так это в том, что при возникновении какого-нибудь конфликта противник непременно постарается создать искусственные помехи, да еще такие, которые оказались бы наиболее вредными для радиолокационных станций. Ну об этом мы еще поговорим.

В первые годы существования радиоприемников радисты просто слушали или смотрели, есть сигнал или нет. Не было шума — хорошо, появляется шум — морщились, но терпели как неизбежное зло. Шла эра непротивления шумам и помехам. Потом начали думать, как избавиться от помех. Создали селективный (избирательный) частотный фильтр, а затем и оптимальный согласованный фильтр — убрали часть помех и шумов, частоты которых отличались от частот полезного сигнала. Но и такой фильтр пропускал все-таки много помех. Тогда решили накапливать сигнал. Идея накопления такова. Можно взять два последовательно пришедших сигнала, первый задержать, а потом сложить с только что пришедшим вторым сигналом. При этом суммарный полезный сигнал будет иметь удвоенную величину, так как оба сигнала одинаковы. Но шумы, мешающие нам в различные моменты времени, различны. И там, где у шума, пришедшего с первым сигналом, был положительный выброс, у шума, сопровождающего второй сигнал, может быть отрицательный выброс. В сумме они скорее всего дадут небольшую величину. Поэтому суммарный шум в большинстве случаев будет меньше искажать суммарный сигнал. И чем больше сигналов мы складываем, тем сильнее подавляются шумы и тем выше поднимается уровень суммарного сигнала над уровнем суммарного шума. Однако такой метод не всегда можно применять. Поэтому мы пока что займемся одиночным сигналом. Вот мы и вернулись на магистральный путь нашего изложения и будем снова, используя наши знания о шумах, разбираться в том…

 

Как это у нее получается? II

Чем больше амплитуда сигнала, тем труднее его спутать со случайными шумовыми выбросами и тем надежнее мы устанавливаем факт наличия отраженного сигнала, а следовательно, и цели. Значит, для нас увеличение амплитуды даже за счет искажения сигнала полезно и надо постараться усилить этот эффект. Мы уже говорили, что для этого надо применять сигналы с большой базой и фильтры, согласованные с ними. Постараемся подобрать нужный нам сигнал. В станциях, похожих на ту, с которой мы решили познакомиться, традиционно использовались импульсные сигналы — отрезки синусоидальных колебаний. У них ширина спектра и длительность связаны довольно жесткой зависимостью. Произведение этих величин равно постоянному числу, обычно не превышающему двух.

Удлиним такой сигнал — его полоса частот уменьшится, укоротим — возрастет. Типичная ситуация, которая называется: «Хвост вытащишь — нос увязнет». Так как база при этом сохраняется неизменной и небольшой по величине, то такие сигналы нас не устраивают. Почему? А вспомните, ведь выше мы говорили, что чем больше база сигнала, тем сильнее его можно укоротить, то есть сжать в приемнике. А это позволяет увеличить амплитуду полезного сигнала и точнее определить момент его появления.

Попробуем другой метод. Возьмем длинный сигнал и заставим его частоту изменяться во время передачи. При этом сигнал захватит всю область частот и обеспечит большую ширину полосы сигнала. Строго говоря, мы получаем уже не отрезок синусоидального колебания, который принято называть элементарным сигналом, а другой, более сложный, сигнал. За счет такого усложнения мы сумеем вырваться из круга сигналов с маленькой базой и получить хотя бы один сигнал с большой базой. Чем сильнее мы будем изменять частоту сигнала за время передачи, тем шире будет полоса частот. Умножив ее на большую длительность, мы получим базу, равную 100, 1000 и даже больше. Теоретики назвали такие сигналы сложными, потому что их внутренняя структура не так проста, как у элементарных, да и математическая запись их более громоздка. Для производственников эти сигналы также сложны, но по другой причине. Схемы формирования и согласованные фильтры в этих случаях становятся действительно сложными. Никого из специалистов уже не удивляет, что в современных станциях согласованный фильтр — один из самых важных и дорогостоящих блоков. Качество его работы определяет и характеристики всей станции.

Итак, мы сформировали длинный сигнал с достаточно большой базой и излучили его в направлении цели. Сигнал, отразившись от нее, попадает на приемную антенну и далее в согласованный фильтр. Посмотрим, как происходит укорочение, или сжатие сигнала.

Идея этого сжатия довольно проста. Обратимся сначала к примеру. Представьте себе: к длинной лестнице института один за другим подходят три человека. Сначала пожилой и солидный профессор, слегка страдающий одышкой и берегущей свое сердце. Конечно, он не будет сломя голову бежать по лестнице, а пойдет степенно и неторопливо. Через пару минут приближается полный сил доцент, в последнем приступе молодости с портфелем, надежно удостоверяющим его прочное служебное положение. Ему вполне по силам быстро одолеть эту лестницу, но, оберегая свой авторитет, он сдерживает себя и поднимается не спеша, хотя и несколько быстрее профессора. Еще через две-три минуты к лестнице подбегает студент и, перепрыгивая через ступеньки, устремляется наверх. Если лестница достаточно длинная, то на какой-то ступеньке доцент догонит профессора, а их обоих догонит студент. Поскольку автор волен распоряжаться судьбами героев и всеми предметами в своей книге, то тут-то мы и срежем лестницу. Итак, до лестницы профессора и студента разделяло 400–500 метров, а пришли они одновременно. Длина процессии профессор — доцент — студент явно уменьшилась, так наши герои поднимались по лестнице с разной скоростью.

Теперь вернемся к сигналу, частота которого изменяется во время передачи. Мысленно разобьем его на три части и будем приближенно считать, что каждый из трех получившихся отрезков имеет свою собственную частоту. Теперь надо найти устройства, в которых скорость распространения сигналов с различными частотами была бы разной. Радиотехникам такие устройства известны. Это дисперсионные линии задержки. Линиями задержки их называют потому, что на прохождение таких схем сигналу требуется больше времени, чем на прохождение обычных проводников или участка безвоздушного пространства. Сигналы как бы задерживаются в этих элементах. А дисперсионными их называют потому, что сигналы с различными частотами задерживаются в них по-разному: одни побольше, другие поменьше. Именно это свойство мы и используем.

Подберем такие характеристики линии задержки, чтобы отрезки сигнала с разными частотами, поступающие на вход линии один за другим, на выходе появлялись бы одновременно. Для этого надо первым поставить отрезок сигнала, у которого скорость распространения в линии задержки минимальна, а последним — отрезок с максимальной скоростью. Тогда за время прохождения линии задержки отрезки подтянутся друг к другу и сигнал существенно укоротится. Величина сжатия определяется значением базы сигнала: если она равна ста, то сигнал на выходе линии задержки будет приблизительно в сто раз короче. Еще эффективнее предположить, что база сигнала равна ста тысячам, тогда сигнал на выходе укоротится в сто тысяч раз. Вот это уже впечатляет!

Итак, сигнал укоротился. Но энергия сигнала за исключением небольшие потерь в линии задержки, осталась той же. Следовательно, его амплитуда должна резко возрасти. Попробуйте перелить воду из широкой, но мелкой тарелки в высокий узкий стакан. Видите, насколько уровень воды в стакане выше уровня воды в тарелке? То же самое происходит и с нашим сигналом после его сжатия. Сигнал существенно поднимется над уровнем помех, и надежность его обнаружения значительно повысится.

Мы рассмотрели сигнал с изменяющейся частотой, который специалисты называют частотно-модулированным сигналом (всеобщее стремление к сокращениям привело к сжатию этого термина до ЧМ сигнала). Но, конечно, это не единственный вид сложного сигнала, который можно сжать в согласованном фильтре. Можно, оказывается, и не изменять частоту сигнала во время-передачи, а достаточно время от времени изменять фазу одной и той же несущей частоты. Правда, изменять фазу надо не как попало, а по определенному закону.

Посмотрите на шеренгу зеленых новобранцев, которыми командует бравый офицер. На верхнем рисунке все новобранцы стоят лицом к офицеру.