«ОТЕЦ АМЕРИКАНСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ» ВЛАДИМИР ЗВОРЫКИН

Те, кому за сорок, еще помнят наш первый отечественный самый массовый телевизор КВН-49. Перед махоньким экраном помещалась выпуклая линза, о которой почему-то с гордостью говорили, что она наполнена дистиллированной водой. Увеличенное линзой изображение подчас напоминало зеркало из комнаты смеха. Тем не менее телезрители той поры, затаив дыхание, следили за перипетиями действа, происходившего на голубом экране.

Трехпрограммный шестнадцатиламповый КВН-49 — простой и дешевый — был нарасхват в магазинах. Пережил он своих собратьев и выпускался аж до 1960 года. Завидное долголетие! Наделали его более одного миллиона трехсот тысяч. Кстати, он был единственным телевизионным приемником по схеме прямого усиления, все остальные телевизоры — супергетеродинного типа. Конечно, от современных красавцев с огромным экраном КВН отличается, как небо от земли, но заслуги его неоспоримы. Благодаря ему телевидение пришло во многие семьи.

Сколько труда было вложено в удивительное открытие — телевидение! Сколько имен связано с ним! Об этом стоит хоть немного вспомнить.

Идея телевидения возникла раньше, чем были открыты радиоволны. Попытки передать изображение по проводам относятся к середине 70-х годов прошлого века. В самой идее передачи изображения нет ничего необычного. Любой наблюдаемый нами предмет «разбивается» на множество элементов, и они передаются не одновременно, а поочередно один за другим. Вернее, передаются не элементы, а сигнал об их яркости. Чем больше число элементов, тем больше четкость изображения, тем менее заметно для глаза разбиение.

Важна и скорость передачи. Надо, чтобы в момент передачи последнего элемента глаз еще «помнил» яркость первого. И этот промежуток времени не должен превышать 0,1 секунды. Так поочередно переданные элементы в силу свойств нашего глаза можно сложить в единую картину.

Последовательную передачу изображения по элементам называют разверткой изображения. Иногда мы слышим такую фразу: «Погорел строчник в телевизоре, нет развертки». Значит, вышел из строя генератор строчной развертки, который заставляет электронный луч в кинескопе обегать построчно весь экран, воссоздавая изображение.

К тому времени, о котором идет речь, то есть к середине 70-х годов прошлого века, было известно свойство селена изменять свое сопротивление в зависимости от количества падающей на него световой энергии, и следовательно, можно было информацию о яркости каждого элемента представить в виде электрического сигнала. А изобретение телефона доказало, что сложные электрические сигналы можно передавать по проводам. Оставалось самое главное: практически осуществить развертку изображения и воссоздать его на приемном конце. Многие бросились придумывать способы «электрического видения». Так было названо будущее телевидение в одном из заголовков газет. (Кстати, возникновение термина «телевидение» относится к 1900 году. Впервые его употребил русский инженер-электрик К. Д. Перский в докладе «Электрическое телевидение» На Международном конгрессе в Париже.)

Какие только идеи не выдвигались, однако при том Уровне техники они так и не воплотились, как говорят, «в железо». Среди них оригинальностью и глубиной проработки отличалось устройство, предложение 20-летним Порфирием Ивановичем Бахметьевым, ставшим впоследствии известным своими трудами в области физики и биологии.

В 1880 году Бахметьев, в ту пору студент Цюрихского университета, изобрел устройство, которое назвал «телефотограф». Изображение в нем развертывалось рядом светочувствительных селеновых элементов, быстро обегающих по спиральной траектории всю плоскость передаваемого оптического изображения. Сейчас такая траектория движения датчика широко применяется, в том числе в радиолокации, чтобы захватить цель на сопровождение, а также в разных оптических системах поиска.

Селеновые элементы преобразовывали свет от отдельных участков изображения в электрические сигналы, которые по проводам поступали на приемный пункт. Там картина воссоздавалась с помощью ряда газовых горелок, движущихся синхронно по такой же спирали, как и на передающем конце. Электрические сигналы, пришедшие на приемный конец, управляли заслонками, которые регулировали поступление газа в горелки. Так модулировалась яркость свечения. Скорость синхронного движения селеновых датчиков и горелок была небольшой — пять циклов в минуту. Так что телефотограф был рассчитан на передачу неподвижных и медленно перемещающихся объектов.

Закон спирали нашел свое продолжение в изобретении Пауля Нипкова, которое он запатентовал в Германии в 1884 году. Это, пожалуй, первое изобретение в области телевидения, принесшее практическую пользу.

Основной его элемент — развертывающий диск из непрозрачного материала, известный ныне как диск Нипкова. Диск имел квадратные отверстия (у Нипкова их было 24) размером немногим более двух миллиметров. Они располагались по спирали на краю диска и были сдвинуты относительно друг друга на равные углы. Расстояние между ними и было как раз шириной кадра. Причем каждое последующее отверстие сдвинуто ближе к центру самого отверстия.

Передаваемое изображение фокусировалось на небольшом участке на краю диска в пределах ограничительной рамки, которая и определяла размер передаваемого изображения. При вращении диска каждое отверстие поочередно прочерчивало дугообразную полоску, называемую строкой, а за один оборот диска строки поочередно заполняли все пространство внутри рамки, образуя кадр. Число строк разложения равно числу отверстий в диске, а число кадров в секунду — скорости вращения диска.

Если смотреть сквозь отверстия быстро вращающегося диска на предмет, изображение которого нужно передать, то он виден целиком, тогда как на самом деле в каждый данный момент времени лишь один из его элементов появляется в одном из отверстий диска.

Блуждающие лучики света, рвущиеся из отверстия, собирала линза и фокусировала на селеновом элементе. Селен превращал их в последовательность токовых сигналов, каждый из которых был пропорционален яркости отдельных элементов изображения.

На приемной стороне Нипков предложил использовать магнитооптический модулятор света, который бы изменял его яркость в зависимости от величины приходящего тока. Обычная осветительная лампа не годилась. Она не могла менять яркость свечения с такой скоростью: слишком долго нагревалась и остывала ее нить. Принцип действия модулятора был основан на эффекте Фарадея. Мы уже упоминали о нем: постоянный магнит влияет на луч света, а конкретнее — он поворачивает плоскость его поляризации. Тем опытом Фарадей показал, что свет имеет электромагнитную природу. Не будем касаться устройства модулятора. Он не так уж и важен для истории телевидения, и не так уж и сложен сам по себе. Главное в изобретении Нипкова — его Диск. Он нужен был и на приемном конце. Мало того, чтобы правильно расставить все сигналы яркости на свои места, диск должен был вращаться синхронно с диском в передатчике.

Разложение изображения с помощью диска Нипкова было настолько простым и удачным решением, что Диск впоследствии использовали в большинстве практических систем так называемого механического телевидения.

Хотя главная деталь механического телевидения — Диск Нипкова — изобретен в 1884 году, потребовались еще десятилетия, чтобы механический телевизор стал Реальностью. Увы, другие элементы были еще несовершенны. Не умели пока изменять яркость источника света на приемном конце с требуемой быстротой, да и селеновые элементы тоже не столь уж быстро реагировали на изменение света.

Только потом появятся безынерционные неоновые и другие газосветные лампы и фотоэлементы, работающие на принципе внешнего фотоэффекта (в изучении данного явления большую роль сыграли труды русского физика А. Г. Столетова в 1888—1890 годах). Спустя 40 лет после предложения Нипкова, в 1925 году, Д. Берц в Англии и Г. Джекинс в США почти одновременно продемонстрировали передачу движущихся изображений. Этот год считается рождением механического телевидения. У нас в стране первая демонстрация механического телевидения прошла в 1926 году на V Всероссийском съезде физиков.

Началась эра механического телевидения 29 апреля, и 2 мая 1931 года у нас в стране вышли в эфир на коротких волнах опытные передачи. Кстати, предложил использовать радиоволны для передачи телевизионных сигналов русский подданный М. Вольфке в своем патенте от 1898 года.

А с октября 1939 года в Москве на средних волнах начались регулярные передачи телевидения. На Никольской улице (ныне улица 25-го Октября) в доме номер 7 была создана студия, в которой работали первые телережиссеры и телеоператоры. Сначала телевидение было немым и заговорило лишь в 1934 году. В день открытия регулярных звуковых трансляций в передаче принял участие Иван Михайлович Москвин. Он прочитал чеховского «Злоумышленника». Помимо Москвы передачи велись в Ленинграде, Киеве, Томске, Одессе.

В 1932 году промышленность начала выпуск дисковых телевизоров для продажи населению. Сначала в Ленинграде была изготовлена первая партия — 20 штук, а позднее на заводе имени Козицкого был налажен выпуск массовой модели БТ-2. Выпускали даже комплекты деталей для сборки дисковых телевизоров самими покупателями.

В 1934—1935 годах механическое телевидение достигло довольно высокого по тем временам уровня. Были созданы системы развертки на 120—180 и даже на 240—270 строк. Но эти, можно сказать, отчаянные усилия улучшить качество изображения оказались в конце концов напрасными. Главный дефект механического телевидения, а именно — низкая чувствительность передающей аппаратуры — был неустраним по той простой причине, что из общего светового потока лишь ничтожная его часть, прошедшая через маленькое отверстие в диске, попадала на фотоэлемент. Основная же часть бесцельно терялась на поверхности диска.

Чем больше строк, то есть выше четкость изображения, тем меньше по размеру должно быть отверстие в диске, тем меньше света попадает на светочувствительный элемент, и сигнал от него тонет в электронных шумах на входе усилителя передатчика. Ни самые светосильные объективы, ни самые мощные источники света не спасли механическое телевидение. В нашей стране оно просуществовало до 1941 года.

Современное же полностью электронное телевидение имеет другое происхождение. Первые шаги сделал профессор физики Петербургского технологического института Борис Львович Розинг. Его приоритет признан во всем мире, но почему-то имя его не столь широко известно, а между тем XX век — еще и век телевидения.

Родился Борис Розинг 23 апреля 1869 года в Петербурге в семье действительного статского советника, чиновника особых поручений при начальнике Главного штаба. В 1891 году после блестящего окончания Петербургского университета Борис Розинг был оставлен при кафедре физики «для подготовки к профессорскому званию». С 1893 года началась его преподавательская деятельность.

Он был среди 342 видных русских ученых, подписавших опубликованную в печати известную статью «О нуждах просвещения», прозвучавшую как обвинительное заключение царскому самодержавию накануне революции 1905 года.

В последние два года жизни Розинг работал в физической лаборатории лесотехнического института в Архангельске. Он занимался усовершенствованием своих фотоэлектрических аппаратов для людей, потерявших зрение, — «читающей машины» и прибора для ориентировки слепых. Смерть, последовавшая 20 апреля 1933 года от кровоизлияния в мозг, не позволила ему завершить работы.

Проблемой «видения на расстоянии», так тогда называлось телевидение, Розинг заинтересовался еще в студенческие годы. Его внимание привлекла электронно-лучевая трубка, созданная в 1897 году немецким физиком К. Ф. Брауном. Она предназначалась для осциллографа, прибора, с помощью которого можно было визуально наблюдать быстропротекающие электрические процессы.

Розингу пришла мысль использовать ее для телевидения. Пусть вместо диска Нипкова с модулируемым источником света безынерционный электронный луч нарисует на экране трубки изображение.

Трубка Брауна в том виде, в котором она существовала, не годилась для приема телевизионных изображений. В ней нельзя было мгновенно изменять яркость свечения экрана. А мы помним, что передаваемая картина представляет собой набор элементов с разной яркостью.

Розинг усовершенствовал трубку, ввел в нее новые электроды. Первые опыты он начал в 1902 году, однако только спустя пять лет, в 1907 году, когда у него не оставалось сомнений в правильности выбранного пути, он сделал официальную заявку на патент в России, Англии и Германии. В предложенной телевизионной схеме, названной им устройством «катодной телескопии», использовалась механическая развертка в передающем устройстве и электронно-лучевая трубка в приемнике. Пока это еще была смешанная механико-электронная система, но первый шаг был сделан; вместо диска Нипкова — прообраз кинескопа.

Сообщения об изобретении Розинга были опубликованы в ряде стран. Его работами заинтересовались за рубежом. Пробовали купить права на изобретение, обещали финансировать дальнейшие работы. Но безуспешно.

Спустя четыре года Розингу удалось изготовить аппаратуру, и 9 мая 1911 года он продемонстрировал группе физиков прием изображения на экране электронно-лучевой трубки. Первая в мире телевизионная картинка имела вид четырех светлых полос на темном фоне.

Еще в 1910 году в VI отделе Русского технического общества Борис Львович сделал обзор оптико-механических систем передачи изображений и высказал твердую уверенность, что будущее за электронными системами телевидения. «…К счастью, наука знает один из таких идеальных механизмов — это катодный пучок, являющийся вследствие разряда электричества в круксовой трубке. Этот же пучок способен подавать и световые сигналы, образуя при падении на флюоресцирующий экран яркое пятно. Этим-то механизмом и следует воспользоваться для целей электрической телескопии».

Современное телевидение зиждется как раз на «идеальном механизме», о котором говорил Розинг, — электронном пучке.

Среди заграничных исследователей у Розинга был единомышленник — американец  Кэмбелл-Свинтон.

В своей статье, опубликованной 18 июня 1908 года в журнале «Нейчур», он предложил использовать электронно-лучевую трубку и в приемнике и в передатчике. Но все помыслы Кэмбелла-Свинтона остались на бумаге. Аппаратуру ему изготовить не удалось.

Свою твердую убежденность в будущности электронного телевидения Розинг передал своему ученику Владимиру Кузьмичу Зворыкину — талантливому изобретателю, человеку интересной судьбы. Он претворил в жизнь идеи своего учителя, но в… Америке.

Зворыкин родился в 1889 году в Муроме. В 1912 году окончил Петербургский технологический институт, где начал под руководством Бориса Львовича работу над электронными системами телевидения. «Особого интереса электронное телевидение в институте не вызывало, — вспоминал Зворыкин. — Мне говорили, что я пытаюсь заменить человеческий глаз. Я же спросил, в свою очередь: а вы можете увидеть своими глазами обратную сторону Луны?»

Далеко смотрел студент из старинного русского города Мурома…

После окончания института Зворыкин в Париже. Под руководством Поля Ланжевена исследует рентгеновские лучи в Коллеж де Франс. Первая мировая война прервала работу, Владимир Кузьмич вернулся на родину, вступил в армию офицером-связистом. В 1917 году эмигрировал. С 1919 года он в США, где спустя пять лет получил гражданство. В 1926 году защитил докторскую диссертацию в Питтсбургском университете.

Наиболее важным изобретением Зворыкина была Первая передающая трубка типа иконоскоп, запатентованная им в 1923 году. Через год Зворыкин предложил Кинескоп — телевизионную приемную трубку, став тем Самым создателем основных передающего и приемного Цементов электронного телевидения.

В 1929 году Владимир Кузьмич, работавший в то время в фирме «Вестингауз», продемонстрировал телевизионный приемник на базе разработанного им кинескопа. Демонстрация имела шумный успех. На ней присутствовал Давид Сарнов, или, на американский манер, Дэвид Сарнофф, преуспевающий капиталист и предприниматель, основатель знаменитой фирмы «Радио корпорейшн оф Америка», тоже выходец из России, переехавший в США в 1900 году. Его называли «бароном технологии», по мнению американцев, он дал их стране больше, чем Эдисон.

Телевизор Зворыкина восхитил Сарнова. Он сразу понял, какие выгоды он сможет извлечь из изобретения Зворыкина, и тотчас же пригласил его в свою фирму. Сарнов решил превратить телевидение в коммерческую реальность.

В 1930 году Владимир Кузьмич стал директором Электронной исследовательской лаборатории, а в 1931 году существенно усовершенствовал свой иконоскоп. 30 октября 1931 года фирма смонтировала на самом высоком небоскребе «Эмпайр стейт билдинг» экспериментальную телевизионную антенну и начала пробные передачи. Правда, до коммерческой реализации электронного телевидения было еще далеко. Слишком сложно для массового производства оказалось устройство электронной развертки. В то время серьезную конкуренцию ей составляли дешевые механические системы развертки. Но фирма упрямо не принимала их. Зворыкин был уверен: будущее за электронным телевидением. Недаром в США его назвали «отцом американского телевидения».

Наконец в апреле 1939 года на Нью-Йоркской международной выставке фирма «Радио корпорейшн оф Америка» продемонстрировала свои возможности. Ее радиопередатчик, установленный на «Эмпайр стейт билдинг», начал регулярную трансляцию телепередач. Выпустили небольшую партию телевизоров. Они были страшно дороги — по 626 долларов. Для сравнения: новый автомобиль в ту пору можно было купить за 900 долларов. Интересно, что в 1932 году автомобиль в среднем стоил 600 долларов, а стоимость автомобильного радиоприемника составляла 55 долларов.

Тотчас же к выпуску телевизоров подключились другие фирмы, и цены несколько снизились. В 1940 году телевизоры стоили от 125 долларов (двухканальная модель с размером экрана 7,6 сантиметра) до 595 долларов для модели с размером экрана 31 сантиметр, принимавшей семь каналов телевидения и имевшей еще автоматическую радиолу. В том же году начались и экспериментальные передачи цветного телевидения, но вторая мировая война задержала работы в этом направлении.

В годы войны Зворыкин занимался разработкой электронно-лучевых трубок для инфракрасных прицелов управляемых снарядов. В 1947 году он был избран вице-президентом фирмы «Радио корпорейшн оф Америка», а после ухода в отставку в 1954 году стал единственным в истории корпорации почетным вице-президентом.

Уйдя в отставку, Зворыкин занялся медицинской электроникой. Стал даже основателем-президентом Международной федерации медицинской и биологической техники. Он считал, что со временем рентгеноскопию заменят радиочастотные аппараты, и его предсказание начинает сбываться.

Более ста патентов получил Зворыкин, и до глубокой старости не иссякал в нем творческий интерес ко всему новому в области электроники. «Я все еще учусь», — любил повторять Владимир Кузьмич, когда ему уже шел десятый десяток. Страсть к познанию в таком возрасте достойна восхищения, если учесть, сколь стремительно в наше время развитие электроники.

Его тянуло на родину. Не раз приезжал в Союз, поддерживал научные контакты с ведущими советскими учеными…

В СССР проект передающей электронно-лучевой трубки предложили В. П. Грабовский, В. И. Попов и Н. Г. Пискунов в 1925 году. Передающая трубка была предложена не сама по себе, а вместе с системой полностью электронного телевидения, которую они назвали «радиотелефот».

Инженеры не ограничились подачей заявки на изобретение, но и заключили с Трестом заводов слабого тока договор на изготовление действующего макета полностью электронной телевизионной установки. Срок был предельно мал: три месяца. По нынешним временам — вообще смехотворный. В срок инженеры не уложились, и не только из-за сложности задачи. Мешали также и организационные неурядицы. Через три месяца договор был расторгнут. И как ни просил Розинг не прекращать Работу, договор все-таки расторгли. На решение повлиял и отрицательный отзыв известного ученого в области радиофизики, избранного через четыре года академиком, Леонида Исаковича Мандельштама, который был в числе экспертов, контролировавших работу.

Грабовский пытался пробивать свою идею, но безуспешно. Наступила эра механического телевидения, и интерес к их предложению иссяк. Правда, когда речь заходит о мировых приоритетах в телевидении, то на заявку трех инженеров обязательно ссылаются в специальной отечественной литературе.

В 1931 году С. И. Катаев предложил вариант передающей трубки, но не довел его до действующего образца из-за технологических трудностей изготовления светочувствительной мозаики. Точки над «и» поставил Зворыкин, когда он в том же году значительно усовершенствовал свой иконоскоп. Изобретение иконоскопа явилось поворотным пунктом в истории телевидения. Он длительное время широко использовался во всех телевизионных передающих камерах.

В конце 1934 года работающий иконоскоп был и у нас, а в следующем году, 2 феврали, состоялась первая в СССР публичная демонстрация системы электронного телевидения. Впоследствии появился целый ряд более совершенных передающих трубок, в создании которых зримый след оставили наши специалисты.

В 1936 году началось строительство телецентров в Москве и Ленинграде. Опытный ленинградский телевизионный центр (ОЛТЦ) оснащался отечественным оборудованием, рассчитанным на передачу с частотой 240 строк. Для приема передач ОЛТЦ по заданию Всесоюзного радиокомитета в НИИ телевидения под руководством Расплетина Александра Андреевича, ставшего впоследствии академиком, крупным ученым в области радиотехники и систем управления, создавался телевизор. Первому серийному электронному телевизору решили присвоить марку в честь заказчика — ВРК.

«…16 сентября 1937 года впервые в СССР состоялась публичная демонстрация высококачественного телевидения», — сообщила ленинградская вечерняя «Красная газета» о выходе в эфир Опытного телецентра. С началом регулярных передач телевизоры были установлены в Домах культуры, Дворце пионеров, красных уголках заводов и фабрик.

Для Московского телецентра аппаратура была закуплена в США. Она давала несколько лучшее качество изображения — 343 строки. Телевизоры ТК-1 для приема московских передач делал завод имени Козицкого по американской документации. В нем было 33 радиолампы,

И ВРК и ТК-1 были громоздки, сложны в эксплуатации, а по стоимости недоступны рядовому покупателю. Их обслуживание требовало специальных навыков. Нужен был простой приемник невысокой стоимости. И такой телевизор был создан в начале 1940 года. Он выпускался заводом «Радист» под маркой 17ТН-1, Диаметр его трубки — 18 сантиметров.

17ТН-1 принимал передачи и Московского и Ленинградского телецентров. До начала войны в продажу поступило около 2000 телевизоров этой марки. Обычно передачи проводились два раза в неделю, Они собирали немало зрителей. Но смотреть их в большой компании было неудобно, а порой и невозможно: маловат экран.

Проблемой увеличения размеров экрана занимались А. А. Расплетин и И. М. Завгороднев (мы еще встретимся с ними, когда речь пойдет об использовании телевидения при обороне Ленинграда). На базе ТК-1 они разработали образцы проекционных телевизоров ТЭ-1 и ТЭ-2, в которых телевизионное изображение с кинескопа диаметром 10 сантиметров проецировалось с помощью объектива на экран размером метр на метр двадцать сантиметров. Эти телевизоры успешно демонстрировались в 1940—1941 годах. В начале 1941 года были созданы еще две модели телевизоров: 17ТН-3 и 23ТН-4. Диаметр экрана у последнего был уже 23 сантиметра.

В конце 1940 года у нас в стране утвердили новый стандарт — 441 строка. Такое же число строк было принято во Франции и Германии, в Англии чуть меньше — 405 строк, а в США с 1941 года — 525 строк.

Весной 1941 года началась реконструкция Московского телецентра с учетом нового стандарта. Но помешала война…

7 мая 1945 года, в День радио, первым в Европе возобновил работу Московский телецентр. Передачи шли еще по довоенному стандарту — 343 строки, В 1948 году, к 31-й годовщине Октября, Московский телецентр Первым перешел на современный телевизионный стандарт — 625 строк.

В том же, 1945 году известный советский специалист в области телевидения П. В. Шмаков, за 12 лет до начала космической эры, выдвинул идею использования искусственных спутников Земли для организации всемирного телевизионного вещания. Многим тогда эта мысль представлялась такой же фантастической, как и полеты к Луне.

Пройдет четырнадцать нелегких послевоенных лет — ив октябре 1959 года советский космический аппарат «Луна-3» сфотографирует обратную сторону нашего естественного спутника, по космическому телевидению передаст фотографии на Землю. Так Сергей Павлович Королев осуществит студенческую мечту Владимира Кузьмича Зворыкина…

Мы вспомнили, какими были первые телевизоры. С сегодняшними каждый из нас знаком лично. А каким будет телевизор в не столь уж далеком завтра, скажем, в году 2000-м?

«Прежде всего, телевизор станет плоским — так предсказывают специалисты. — Его, как картину, можно будет повесить на стену. В лабораториях уже есть телевизоры со стереоскопическим изображением. Разработаны проекционные приемники с большим экраном для коллективного просмотра в местах отдыха. А в других моделях экран изменится до размеров «карманного».

Расширятся функции телевизора: он станет источником оперативной справочной информации — через систему «Видеотекст» можно будет запросить из информцентра и увидеть на экране интересующие вас сведения. А «Телетекст» позволит выбирать из телевизионной справочной «книги» нужные зрителю «страницы»: расписание самолетов, синоптическую карту с прогнозом погоды, сведения о новинках, поступающих в торговлю…

Главное место в квартире займет домашний информационно-развлекательный комплекс. С помощью дистанционного пульта можно будет управлять его работой, впрочем, можно заложить в память телевизора программу на много дней вперед…

Честно говоря, в таком деле, как электроника, предсказывать — дело не совсем верное. Неожиданное открытие может круто изменить облик целого направления. Так что и эти прогнозы к 2000 году могут стать уже вчерашним днем.

 

ЭТО НАЧИНАЛОСЬ ТАК…

Уже опыты Герца показали, что радиоволны способны отражаться от встречающихся на их пути предметов. Это явление и легло в основу радиолокации. Однако до умения определять по отраженным радиоволнам положение, скорость перемещения и другие характеристики какого-либо объекта науке и технике предстояло проделать долгий путь.

Главная сложность состояла в том, что лишь небольшая часть излучаемых волн попадает на объект локации. К тому же они частично поглощаются им, а частично рассеиваются в разные стороны. В результате в приемник поступает меньше одной миллиардной части от излучаемой энергии.

Идея радиолокации несколько моложе идеи радиосвязи. Еще в 1904 году немецкий исследователь X. Хюльсмейер запатентовал в Англии и Германии устройство, которое с помощью герцевских волн обнаруживало бы металлические предметы, такие, как корабли и поезда. Оно предвосхищало некоторые черты будущих радаров: работу в УКВ диапазоне, использование параболических антенн… Был еще ряд интересных заявок, но ни одна из них так и не воплотилась в работающую аппаратуру. Слишком несовершенны были в то время передатчики и приемники. Перед нами еще один пример, как зачастую научная мысль опережает технические возможности. Техника обнаружения пошла по иному пути: улавливанию других волн — звуковых — от самолетных моторов.

Для этого строили огромные слуховые рупоры со сложной системой труб-резонаторов. В ясную безветренную погоду опытные бойцы-слухачи могли обнаружить самолет на расстоянии даже в 20 километров. На довоенных парадах на Красной площади можно было видеть, как впереди зенитных орудий везли этаких «спрутов» из причудливо изогнутых звукоулавливающих труб. Такие звукоулавливатели в сочетании с прожектором получили у нас название «прожзвука».

Но «прожзвук» работал только при безоблачном небе, а вскоре выявился и другой дефект звуковых систем. При увеличившихся скоростях самолетов и высоте их полета направление прихода звука и направление на самолет стали так сильно различаться, что система оказывалась просто недееспособной. А появившиеся в начале 30-х годов дальние скоростные бомбардировщики становились очень опасными в случае прорыва противовоздушной обороны: увеличивалась их бомбовая нагрузка, резко возрастал возможный ущерб. Тогда и заинтересовались во многих странах идеей радиообнаружения. Можно, пожалуй, сказать, что изобретение радиолокации — своего рода реакция на появление мощной бомбардировочной авиации. Причем реакция довольно массовая: в 1934—1935 годах первые эксперименты по радиолокационному обнаружению были проведены в СССР, США, Франции, Германии, Италии и годом позже в Японии. Кстати, в Италии опыты ставил все тот же Маркони. Весной 1935 года он продемонстрировал, что с помощью радиоволн можно обнаруживать автомашины и… людей.

Действительно, каждое открытие ждет своего часа. Идея зрела… Инициаторами стали военные: один из энтузиастов нового дела П. К. Ощепков написал докладную записку народному комиссару обороны. Предложение заинтересовало маршала М. Н. Тухачевского, заместителя наркома обороны, ведавшего в то время вопросами вооружений и новой техники. Он тотчас же распорядился включить в план научных работ на 1934 год проблему радиообнаружения самолетов, причем в числе первоочередных. Одобрил инициативу и К. Е. Ворошилов. Нарком рекомендовал привлечь к обсуждению проблемы видных ученых.

Такое совещание состоялось 16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте, где директорствовал академик А. Ф. Иоффе. Рассматривался вопрос: как создать прибор, способный обнаружить самолет на расстоянии 50 километров при высоте полета 10 километров. Все выступающие были за использование радиоволн, считали этот путь перспективным в принципе, но вместе с тем у большинства проскальзывали и осторожные нотки.

Например, специалист по акустике, профессор, будущий академик Н. А. Андреев считал, что еще рано отказываться от звукоуловителей и надо расширять исследования в области звукопеленгации. А академик Иоффе утверждал, что преждевременно проводить исследования на дециметровых и сантиметровых волнах (как раз в тех диапазонах, которые станут самыми ходовыми в радиолокации), и следует ограничиться лишь метровыми волнами. Абрам Федорович мотивировал свой вывод тем, что, мол, более короткие волны будут отражаться от плоскостей самолета по оптическим законам («угол падения равен углу отражения»), и потому, отражаясь от самолета, такие лучи будут распространяться не в сторону наблюдателя, а от него, и весь ожидаемый эффект может быть сведен на нет. Как мы видим, даже академики не могли сказать ничего определенного. Вот сколь неизведанной была проблема. Сейчас это возражение выглядит несколько странным: видим же мы самолет в луче прожектора, хотя в глаз нам попадает рассеянный им свет.

Высказывались мнения и о преждевременности работ: дескать, нет технической базы для их осуществления. Говорилось также и о том, что надо бы расширить работы в инфракрасном диапазоне, чтобы обнаруживать самолеты по тепловому излучению выхлопных газов.

Интересно, что такие работы проводились в 1932—1934 годах, но тогдашний теплоулавливатель, в отличие от нынешних, не годился ни для обнаружения самолетов, ни для обнаружения танков, а вот корабли он обнаруживал неплохо и был принят на флоте. Применялся в Великую Отечественную войну. Подводную лодку в надводном положении он обнаруживал за три-четыре километра, а эсминец — на дистанциях в пять раз больших.

Но вернемся к обсуждению. Горячо поддержал идею радиообнаружения директор Ленинградского электрофизического института академик А. А. Чернышев, причем он ратовал за постройку аппаратуры в сантиметровом и дециметровом диапазонах и даже предложил, чтобы работы вел его институт.

Совещание стало историческим для отечественной радиолокации. Отныне ее создание превратилось в государственную задачу.

В 1934—1935 годах были проведены опыты по радиообнаружению самолетов. Результаты обнадеживали. Но электрофизический институт, где проводились исследования, вдруг реорганизовали, руководство сменили, некоторые сотрудники устроились в другие институты. В частности, крупнейший физик-радиотехник Д. А. Рожанский и его сотрудник Ю. Б. Кобзарев ушли в физтех к Иоффе. Рожанский возглавил специально созданную лабораторию по проблеме обнаружения самолетов. Курс был взят на импульсную локацию. Рожанский вскоре умер, и работы возглавил Кобзарев. Лаборатории и удалось довести дело до конца.

15 апреля 1937 года можно считать днем рождения импульсной радиолокации в СССР. Именно в этот день под Москвой заработал макет импульсной станции. Немногочисленный штат лаборатории работал с задором, с выдумкой. Многие узлы были недопоставлены, приходилось изобретать замену тут же, на полигоне. Вместо запланированного мощного передатчика воспользовались подвернувшимся маломощным и все равно обнаружили самолет в 17 километрах.

К сожалению, путь от макета до промышленного образца затянулся из-за разного рода реорганизаций. Сложное тогда было время — 1937 год. Был отстранен от работы и репрессирован один из энтузиастов импульсного метода локации П. К. Ощепков. Впоследствии, после десятилетнего отсутствия, он займется интроскопией — видением внутри непрозрачных предметов. Станет в 1954 году доктором технических наук, профессором. Одно из его увлечений — так называемая энергетическая инверсия — обращение вспять потока энергии, поиск условий, при которых без затрат можно извлечь тепло, рассеянное в окружающей среде. Подобные мысли были и у Циолковского.

Оппоненты, и довольно именитые, критикуют Павла Кондратьевича за эту идею. Она, по их мнению, противоречит второму закону термодинамики. Мысль — из хаоса извлечь энергию, хоть и представляется безумной, но сразу же вызывает аналогию — ведь и жизнь возникла из хаоса, а вот как это произошло — пока тайна…

Почти за год до войны, 26 июля 1940 года, станция была принята на вооружение под названием РУС-2 (радиоулавливатель самолетов). Ее чуть ранее изготовленный макетный вариант под названием «Редут» был установлен на Карельском перешейке, и всю финскую войну на нем шла боевая работа. Тогда же было принято решение построить под Ленинградом близ поселка Токсово стационарную установку с повышенной дальностью обнаружения. Кабины приемника и передатчика вместе с антеннами разместили на 20-метровых вышках. Но как ни спешили со строительством, финская война закончилась быстрее. А на токсовской станции начались эксперименты, в частности, по созданию такой важной системы, как автоматическое опознавание своих самолетов.

В физтехе сотворили «активный ответчик», который при контакте самолета с лучом радара генерировал импульс. Если всплеск на экране радара сопровождался приемом импульса, значит, отметка от цели принадлежит своему самолету, если же нет, то значит, самолет чужой. Так было положено начало работам по созданию радиолокационных систем «свой — чужой», определяющих государственную принадлежность самолетов. Задача опознавания — не из простых, и по сей день она одна из важнейших в радиолокации. В боевой обстановке порой трудно бывает разобраться, где свой самолет, где — чужой. А это важно, не то своего собьешь. В последние предвоенные дни такое устройство прошло испытание в реальных условиях под Москвой…

Началась Великая Отечественная война. С первым же сигналом тревоги станция в Токсове перешла на боевое дежурство. Благодаря своим высоким антеннам она обнаруживала самолеты за 200 километров. По ее данным были уничтожены аэродромы на Карельском пере-шейке. Станция проработала всю войну.

Незадолго до войны первую Государственную премию за выдающуюся работу в области радиолокации пол) чили создатели РУС-2 — Ю. Б. Кобзарев, П. А. Погорелко, Н. Я. Чернецов.

За месяц до войны, в мае 1941 года, были сделаны два образца станции «Пегматит», или, по-иному, РУС-2с, самой массовой в наших войсках во время войны. По своим характеристикам она была такой же, как и РУС-2, но занимала гораздо меньше места. Вся аппаратура станции перевозилась на одной автомашине. Она свободно помещалась в простой деревенской хате, а мачту антенны можно было прикрепить к дереву. Всего радиолокационных станций РУС-2 и РУС-2с за годы войны выпустили более 600.

Еще раньше — в 1939 году — была принята на вооружение радиолокационная станция РУС-1. Правда, работала она по другому принципу. Сигнал у нее был не импульсный, а непрерывный. Приемник и передатчик располагались на удалении 30—40 километров друг от друга. Передатчик своим излучением образовывал как бы «радиозанавес». Если самолет пролетал между приемником и передатчиком, то в приемник поступало два сигнала: один — прямо от передатчика, другой — отраженный от самолета.

Со школы мы знаем, что при отражении радиоволны от движущегося объекта ее частота изменяется на величину доплеровской частоты, которая зависит от скорости и направления полета самолета, а также от длины радиоволны. В месте приема два сигнала; прямой — от передатчика и отраженный — от самолета, складывались. Поскольку их частоты несколько отличались, то возникали так называемые «биения», то есть амплитуда суммарного сигнала «дышала» с частотой Допплера. Сигнал на выходе приемника записывался на бумажную ленту. Как начнутся такие «дыхания», значит, «радиозанавес» пересек самолет.

РУС-1 тоже работала на Карельском перешейке во время финской войны. Было выпущено 45 комплектов таких станций. Но используемый в них метод имел много недостатков, и во время Великой Отечественной войны РУС-1 были перебазированы на менее ответственные участки — для охраны границы в Закавказье и на Дальнем Востоке.

Первые наши станции назывались радиоулавливателями самолетов (РУС), английские же слова-синонимы — радиолокатор, радар — пришли к нам в грозном 1941 году вместе с закупленными станциями. Время было трудное, вооружений не хватало, производственная база на европейской территории страны была потеряна… И хотя английские термины прижились в нашем языке, это совершенно не значит, что прав Уинстон Черчилль, премьер-министр Великобритании в период второй мировой войны, который после ее окончания заявил в парламенте, будто именно англичане подарили миру радиолокацию — величайшее, по его словам, военное изобретение за последние 50 лет. Как мы убедились, это совсем не так.

 

ИЗ ТУПИКА…

За годы войны радиолокация сделала большой скачок. Особенно преуспели американские инженеры. У них и возможностей для исследований было несравненно больше, и главное — была мощная промышленная база. Американская станция орудийной наводки SCR-584 для зениток (такие станции назывались сокращенно СОН), выпущенная в 1943 году, оказалась настолько удачной, что не одно десятилетие использовалась по разным назначениям.

После войны авиация продолжала совершенствоваться, соответственно возрастали и требования к радарам, в частности, к дальности обнаружения. А она зависит от энергии сигнала. Чем больше его энергия, тем дальше, а следовательно, и раньше можно обнаружить цель.

Энергия сигнала определяется просто: как произведение мощности сигнала на его длительность. Но оказалось, что мощность сигнала наращивать беспредельно нельзя: не выдерживают ни передатчику ни волноводы, подводящие сверхвысокочастотную энергию к антенне. Оставалось одно: увеличивать длительность сигнала. Тогда ухудшался другой не менее важный параметр — разрешающая способность по дальности. Это свойство Радара наблюдать в отдельности следующие друг за другом самолеты. Чем короче импульс, тем лучше разрешающая способность. Так, если длительность импульса одна микросекунда, то самолеты, летящие друг за другом на расстоянии ближе, чем 150 метров, будут на экране радара восприниматься как одна цель.

Ситуация в радиолокации складывалась тупиковая: чтобы иметь достаточную энергию, сигнал на передачу должен быть длинным, а при приеме, чтобы иметь хорошее разрешение и точность измерения дальности, — коротким. Как выйти из тупика?..

Спас радиолокацию от застоя новый вид сигналов. Их называют и сложными, и шумоподобными, и псевдослучайными, и широкобазовыми, и составными… В наш век всеобщей стандартизации попытка унифицировать терминологию здесь не увенчалась успехом. Такая разноголосица, видимо, не случайна, она отражает многообразие таких сигналов. Это могут быть и разнесенные во времени импульсы, каждый из которых излучается на своей частоте, и длинная синусоида, фаза которой меняется скачком через определенные промежутки времени, и отрезок высокочастотного шума… Главная их особенность в том, что произведение длительности сигнала на ширину полосы занимаемых частот, которое часто называют базой сигнала, больше единицы. Стараются сделать базу сигнала как можно больше. Для чего? Станет ясно чуть позже.

Итак, сложный сигнал чаще всего представляет собой длинный импульс со сложной внутренней начинкой: частотой или фазой, меняющимися по какому-либо закону. На приемном конце импульс надо укоротить, то есть сжать.

Интересно, что во время войны, как бы предвидя будущие осложнения, ученые уже подумывали о такой возможности. Правда, уровень техники тогда еще был не тот, чтобы изготовить подобную аппаратуру, да и особой потребности в этом не было. Так что засекреченные заявки остались лежать в досье патентных бюро как любопытные предложения, оставшиеся в наследство от военного времени.

В начале 50-х годов идея сжатия импульсов, несмотря на барьеры секретности, нашла свое аппаратурное воплощение в разных странах, и причем в разных вариантах. В нашей стране одно из первых устройств сжатия сложных сигналов было создано радиоинженером Виктором Михайловичем Свистовым.

Первым сложным сигналом стал длинный импульс, частота заполнения которого изменялась со временем 00 линейному закону. Специалисты называют такой сиг-нал «импульсом с ЛЧМ» (с линейной частотной модуляцией). За рубежом есть еще и иное название: «чирп-сигнал». Любопытно происхождение термина. Специалисты фирмы «Белл» впервые использовали такой сигнал для передачи телеграфных посылок — «нулей» и «единиц». Если к линии подключали наушники, то в них прослушивалось нечто вроде щебетания птиц — «чирп-чирп-чирп…» Сегодня такой сигнал широко применяется в радарах.

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.

Ошибка другого рода — пропуск цели — тоже нежелательна. Цель есть, самолет или ракета летят, а сигнал, отраженный от них, не может превысить пороговый уровень. Почему так случилось? Причины тому могут быть разные. Например, в момент прихода сигнала так подобрались фазы, что шум подавил сигнал.

Поскольку мы имеем дело со случайными величинами: и шумом, и сигналом, то нельзя достоверно сказать, что если есть сигнал, то он обязательно превысит порог, а в его отсутствие превышения не произойдет. Мы можем говорить только о том, что эти события могут свершиться с некоторой вероятностью.

Конечно, и вероятность правильного обнаружения, и вероятность ложной тревоги зависят от порогового уровня. На вопрос, как его выбрать на все случаи жизни, единого ответа нет. Он определяется тем, что мы хотим или, говоря языком математики, тем, какой мы выбрали критерий. Можно, например, исходить из того, чтобы средний риск возможного от наших ошибок ущерба был минимален. Такой критерий называется байесовым. Есть еще критерии идеального наблюдателя, отношения правдоподобия и целый ряд других. Не будем в них углубляться — это уже область математической статистики, которая стала рабочим аппаратом проектировщиков радиосистем.

У разработчиков радаров наибольшей популярностью пользуется критерий Неймана-Пирсона. Выбранный согласно ему пороговый уровень при заданной вероятности ложной тревоги обеспечивает минимальную вероятность пропуска цели. Им пользоваться довольно удобно: не надо ломать голову, как оценить возможный ущерб от ошибок, не надо иметь предварительных данных о том, как часто появляются цели. Задаются только вероятностью ложной тревоги и ею определяется пороговый уровень, потом находят энергию сигнала, достаточную, чтобы он с требуемой вероятностью превысил порог, а остальное, как говорят, дело техники…

Сложные сигналы оказались незаменимы в такой области, как радиолокационная астрономия. Именно там нужны сигналы с большой энергией и высокой разрешающей способностью, чтобы разглядеть с помощью радара как можно больше подробностей о наших соседях по Солнечной системе.

В 60—70-х годах получены радиолокационные карты Луны, Венеры, Марса, Меркурия. Плотный облачный покров, скрывающий поверхность Венеры от оптических наблюдений, оказался прозрачным для радиоволн. Локация Венеры принесла поразительные открытия: Венера в отличие от своих собратьев по Солнечной системе вращается «наоборот», а длительность венерианских суток длиннее, чем ее год. Радиолокационные наблюдения Меркурия в 1964 году развеяли заблуждения астрономов относительно длительности его суток.

С 80-х годов прошлого века астрономы были убеждены, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, как и Луна при своем вращении вокруг Земли, и что сутки на Меркурии равны году. То есть за один оборот вокруг Солнца, который длится 88 земных суток, Меркурий совершает один оборот вокруг своей оси. Но радиолокация Меркурия показала, что за один меркурианский год он совершает полтора оборота вокруг своей оси. Астрономы-оптики отказывались верить: «Не может быть, чтобы заблуждались три поколения астрономов?!»

В 1973 году приняты радиолокационные сигналы от колец Сатурна. Такое огромное расстояние радиоволна пробегает за 2,5 часа.

Одно из самых важных применений радиолокатора в астрономии выглядит довольно скромно: измерение астрономической единицы с невиданной для оптических замеров точностью (с точностью до одной десятимиллионной). Но астрономическая единица (расстояние от Земли до Солнца) — основной масштаб астрономии, а при планировании космических полетов к другим планетам необходима именно такая точность. Например, если бы при полете советской межпланетной станции «Венера-4», впервые опустившейся в атмосферу Венеры, было использовано прежнее значение астрономической единицы, то станция «промахнулась» бы и прошла мимо планеты на расстоянии трех ее радиусов.

Систематические радиолокационные наблюдения планет Солнечной системы используются учеными для разработки единой теории планет Солнечной системы, которая в десятки, сотни раз будет точнее, чем существующая классическая теория, созданная на основе оптических измерений. Такая теория необходима для решения задач навигации межпланетных аппаратов.

Сложные сигналы используются и для связи с космическими объектами. А расстояния до них в буквальном смысле астрономические. Именно благодаря сложным сигналам при малой мощности передатчика на борту космического аппарата удается выделить глубоко сокрытые шумами послания из космических далей. Американский космический аппарат «Вояджер-2» с расстояния около трех миллиардов километров передал снимки планеты Уран. Мощность передатчика на борту «Вояджера» была 20 ватт, в месте приема она уменьшилась в 1018, или в миллиард миллиардов раз. А впереди предстоят еще съемки планеты Нептун, к которой «Вояджер» подлетит в 1989 году.

Фантастична также чувствительность устройств, принимающих сигналы из космоса, — радиотелескопов. В 1965 году на одной из научных выставок посетителю предлагали взять лежащий на столе небольшой листок бумаги. Перевернув его, посетитель знакомился с таким текстом: «Взяв со стола этот листок бумаги, вы затратили больше энергии, чем та энергия, которую за всю историю астрономии приняли все существующие в мире радиотелескопы».

 

СО СТОРОНЫ ВИДНЕЕ…

Радиолокация сегодня — обширная область техники, которая впитывает в себя все достижения электроники. С помощью радиолокации мы можем заглянуть не только в глубины космоса, но и в глубь Земли.

Казалось бы, какая связь между одной из самых таинственных загадок древней цивилизации майя и радаром? Историков давно занимал вопрос: каким образом удавалось прокормиться двум-трем миллионам индейцев майя в болотистых джунглях нынешних Гватемалы и Белиза в Центральной Америке, на территории которых находилось государство майя. Ведь в таких условиях не могут расти никакие зерновые культуры.

Совершенно случайно ответ был найден с помощью радара. Специалисты НАСА разработали его для изучения поверхности Венеры, а испытания проводили над Гватемалой. Радар обнаружил под густым пологом тропической зелени обширную сеть ирригационных каналов, выкопанных примерно в VIII—IX веках нашей эры. Только в Гватемальских джунглях сокрыты от глаз тысячи километров дренажных каналов.

Сегодня услугами радара пользуются археологи, и довольно успешно. Радары видят засыпанные землей фундаменты древних зданий и поселений. Радиолокационные изображения, полученные со спутника или самолета, помогают антропологам. Ведь на них бывают видны исчезнувшие реки и озера, а древние предпочитали строиться ближе к воде.

Есть радары, измеряющие толщину льда, радары-метеорологи, радары-геологи, ищущие нефть и другие полезные ископаемые. Чтобы найти воду, не обязательно бурить скважину. Ее способен заменить все тот же радар. С помощью спутниковых и самолетных радаров создаются карты поверхностных вод, контролируется влажность почв, измеряется скорость ветра над морями и океанами, определяются границы районов вечной мерзлоты… Во льдах Антарктиды самолетные радары четко фиксируют метеориты поперечником всего лишь 15—20 сантиметров, ушедшие под лед на глубину нескольких десятков метров. В период вьетнамской войны американцы использовали радары для обнаружения подземных ходов партизан Южного Вьетнама.

Трудно перечислить всю ту информацию о Земле, которую можно получить и уже получают со спутников в радиоволновом диапазоне. Чтобы дать хоть какое-то представление о тех сведениях, прибегну к фантастическому приему. Попробуем представить себя на месте космонавта-инопланетянина, органы зрения которого воспринимают излучения нижней части СВЧ-диапазона. Тогда Земля не представлялась бы нам в таком виде, как нашим космонавтам, — голубой планетой, окутанной белыми облаками с зелеными вкраплениями полей и лесов, меняющей оттенки своей палитры с изменением погоды и солнечного освещения.

И днем и ночью мы видели бы стабильную картину, одинаковую и при облачной и при ясной погоде, и в полдень и в сумерках. Мы бы четко различали горы и поля, леса и пустыни, море и сушу, реки и озера, кварталы городов с их улицами и скверами… Вода — почвенная влага, болота, реки, озера, пресный и морской лед… — предстала бы перед нами во всем своем многообразии. Мы видели бы на несколько метров в глубь пустынь, находя под тысячелетним слоем песка следы высохших рек и погребенных городов, новые, неведомые нам прежде, детали подземного рельефа.

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.