книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

Ч А С Т Ь В Т О Р А Я

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ ТЕХНИКА

Г Л А В А IX

К Р А Т К А Я И С ТО РИ Я Р А З В И Т И Я Р А Д И О Л О К А Ц И И

В СССР

Начало развития радиолокации относится к 30-м годам текущего столетия, а широкое практическое применение она получила только в годы Великой Отечественной войны Совет­ ского Союза.

Явление, лежащее в основе радиолокации,— отражение радиоволн — было замечено и описано изобретателем радио Александром Степановичем Поповым еще в 1897 г. при про­ ведении в Кронштадтской гавани опытов, связанных с совер­ шенствованием созданных им связных радиостанций.

Во время одного из опытов при определении дальности ра­ диосвязи радиопередатчик был установлен на учебном судне «Европа», а приемник — на крейсере «Африка». Изменением расстояния между кораблями была найдена максимальная

«Африкой» проходил крейсер «Лейтенант Ильин». После про­ хождения крейсера радиосвязь между «Европой» и «Афри­ кой» сразу же восстановилась. Таким образом было открыто явление отражения электромагнитных волн от больших ме­ таллических тел. А. С. Попов указал, что это явление можно использовать для определения местоположения объектов, для радионавигации и радиопеленгации.

Однако в то время указанное открытие не могло найти практического применения из-за недостаточного развития ра­ диотехники. Идея радиолокации не могла найти практиче­ ского применения и в последующие десятилетия. Объяс­

ных волн, и только спустя некоторое время радиосвязь верну­ лась к более коротким волнам; кроме того, мощность первых передатчиков была недостаточно велика, а приемные устрой­ ства не отличались высокой чувствительностью. Практиче­ ская же радиолокация, исходя из условий отражения радио­ волн телами (размеры тел должны быть больше длины волны или по крайней мере сравнимы с ней), а также из необходи­ мости концентрации излучаемой энергии в определенном на­ правлении, возможна, как правило, только на ультракоротких волнах. Вследствие небольшой мощности отраженного сиг­ нала в радиолокационных станциях необходимо использовать мощные импульсные передатчики и высокочувствительные приемники, которые в первый период освоения ультракоротко­ волнового диапазона не могли быть выполнены. Для измере­ ния небольших промежутков времени с точностью до единиц и десятых долей микросекунды потребовались электронно-лу­ чевые трубки и специальные электрические схемы управле­ ния, разработка которых связана в известной степени с теле­ визионной техникой.

Отсюда становится ясным, что разработке и практическому осуществлению радиолокационной аппаратуры должен был предшествовать этап теоретического и технического развития радиоэлектроники, в процессе которого нужно было освоить ультракороткие волны, создать работающие в этом диапазоне мощные генераторные радиолампы и чувствительные прием­ ные элементы. Такой этап радиоэлектроника прошла только к 30-м годам.

Прообразом первой отечественной импульсной радиолока­ ционной станции была импульсная ионосферная станция, соз­ данная в СССР в 1932 г. М. А. Бонч-Бруевичем для изучения верхних ионизированных слоев атмосферы, которые, как мы знаем из первой части книги, играют большую роль в распро­ странении коротких радиоволн.

Принцип действия такой ионосферной станции легко пояс­ нить с помощью рис. 112. Передатчик станции вырабатывает импульсы высокой частоты, которые посылаются антенной вертикально вверх и после отражения от ионосферы улавли­ ваются приемником, расположенным на небольшом расстоя­ нии от передатчика. По времени, прошедшему с момента из­ лучения импульса передатчиком до момента приема отражен­ ного сигнала, определяется высота ионосферы. Таким образом, действие этой станции было основано на принципе радиоэхо, используемом и в радиолокации. Работала станция на корот­ ких волнах, хорошо отражающихся от ионизированных слоев атмосферы.

Примерно в то же время было обнаружено, что при про­ лете самолета между передатчиком и приемником, работаю­ щими на ультракоротких волнах, изменялся характер прини­

210

маемого сигнала. Это говорило о наличии, кроме прямого при­ нимаемого сигнала, еще и второго, отраженного сигнала, взаимодействующего с первым. Таким образом было установ­ лено, что ультракороткие волны отражаются от самолета.

Это открытие указало на возможность использования ра­ диоволн для предупреждения о приближении самолетов или во всяком случае о пересечении им'и линии передатчик — при­ емник, что имело чрезвычайно большое военное значение, осо­ бенно для противовоздушной обороны.

Рис. 112. Принцип действия ионосферной станции

Дальнейшие опыты по применению радиоволн для обнару­ жения самолетов и определения их местоположения проводи­ лись в основном в направлении создания импульсных радио­ локационных станций и станций непрерывного излучения, ис­ пользующих эффект Допплера. Этот эффект заключается в том, что частота сигнала, который отражается от движуще­ гося предмета, изменяется пропорционально радиальной ско­ рости этого предмета относительно излучающей станции.

Работы над созданием радиолокационных станций непре­ рывного излучения начались в СССР в достаточно широких масштабах в 1933 г. Первые опытные образцы станций рабо­ тали на дециметровых и метровых волнах. Принцип работы станций заключался в выделении частоты биений между пря­ мым непрерывным сигналом передатчика и сигналом, отра­ женным от движущейся цели и имеющим частоту, отличную от частоты передатчика..

Работы велись весьма успешно, и, несмотря на несовер­ шенство первых генераторных и приемно-усилительных элек­ тровакуумных приборов дециметрового и метрового диапазо­ нов, уже первые опытные образцы станций показали пер­ спективность этого направления.

Наиболее успешно развивались работы по созданию стан­ ций обнаружения самолетов. К 1938 г. разработка первой такой станции была закончена, а в 1939 г. она была принята на вооружение наших войск. Эта станция обнаруживала самолеты противника на 80—100-километровом участке фрон­ та и значительно упрощала задачу своевременного предупре­ ждения войск и населения городов о приближении самолетов противника. Во время советско-финляндской войны эти стан­ ции несли боевую службу в системе ПВО Ленинграда.

С 1934 г. в нашей стране широко развернулись также ра­ боты по созданию импульсных радиолокационных станций, действующих по принципу, использованному в первой ионо­ сферной станции М. А. Бонч-Бруевича.

Следует отметить, что открытие этого метода работы, зна­ чительно упрощающего измерение дальности отражающего объекта и, как мы убедимся в дальнейшем, позволяющего совместить передающую и приемную антенны, во многом спо­ собствовало развитию радиолокационной техники.

Импульсный метод работы характерен для большинства современных радиолокационных станций.

К 1938 г. был изготовлен полевой макет импульсной ра­ диолокационной станции. Дальность действия этого макета составляла 100—120 км. Получение такой дальности в соче­ тании с достаточно высокой точностью определения коорди­ нат позволяло считать этап разработки основных узлов стан­

«Редут», уже использовалась в советско-финляндской войне. Конструкция этих станций оказалась очень удачной: они обладали необходимой дальностью обнаружения самолетов и позволяли определять координаты вражеских бомбардиров­ щиков и своих истребителей с точностью, обеспечивавшей эффективное наведение истребительной авиации. Подобные станции обнаружения и наведения использовались и в первый

период Великой Отечественной войны.

Характерные особенности всех этих станций, выгодно отли­ чающие их от аналогичных заграничных образцов периода второй мировой войны,— простота радиотехнической и элек­ трической схем, небольшая мощность первичных источников питания, малый вес и габариты. Станции этого типа имели всего несколько десятков радиоламп, небольшое число ручек регулировки и настройки, были просты и удобны в эксплуа­ тации. Изготавливались они в двух вариантах: аппаратура

212

либо монтировалась на автомобилях, чем достигалась высо­

Советская Армия уже в первые годы Великой Отечествен­ ной войны имела на вооружении войск ПВО радиолокацион­ ные станции для обнаружения самолетов, управления огнем зенитной артиллерии и наведения истребительной авиации.

Вдальнейшем, в трудные годы войны, советские ученые, инженеры-конструкторы и технологи наладили серийный вы­ пуск радиолокационных станций различного тактического на­ значения, что позволило значительно повысить боевые воз­ можности войск.

Внастоящее время качество радиолокационного вооруже­ ния непрерывно улучшается и наши Вооруженные Силы по­ лучают все более совершенную радиолокационную технику.

Как часто бывает в науке и технике, развитие радиолока­ ции шло практически одновременно в ряде стран. Так, работы по созданию и совершенствованию радиолокационных средств обнаружения воздушных, морских и наземных целей и управ­ ления боевым оружием осуществлялись в годы, предшество­ вавшие второй мировой войне, почти параллельно в Англии, Германии, США и других странах. В канун и в первые годы второй мировой войны на вооружение армий Англии и Гер­ мании были приняты радиолокационные станции различного тактического назначения. Так, на побережье Англии была построена цепь радиолокационных станций дальнего обнару­ жения самолетов, были созданы станции управления огнем зенитной артиллерии, началось вооружение радиолокационной аппаратурой кораблей военно-морского флота.

Станции обнаружения воздушных целей, управления огнем зенитных батарей и наведения истребительной авиации появи­ лись и в Германии. В США также велись усиленные работы по созданию радиолокационной аппаратуры, в результате ко­ торых в годы второй мировой войны промышленность Соеди­ ненных Штатов разработала и освоила в производстве целый ряд типов радиолокационных станций для войск ПВО, военновоздушных сил и военно-морского флота. К концу войны были созданы радиолокационные, станции различного тактического назначения.

Наряду с развитием радиолокации продолжалось интен­ сивное развитие и инфракрасной аппаратуры — приборов, ис­ пользующих для обнаружения различных целей и управления стрельбой по ним инфракрасные (тепловые) волны.

213

Эти приборы, создание и применение которых началось раньше, чем радиолокационной аппаратуры, также получили в вооруженных силах различных стран широкое применение.

Ниже, в гл. X—XVIII, читатель познакомится с классифи­ кацией радиолокационных и инфракрасных средств, их прин­ ципами действия и областями применения.

Приведенные в книге .тактико-технические характеристики радиолокационных станций и инфракрасных приборов различ­

радиолокационной и инфракрасной аппаратуре. Все числовые величины приведены лишь с целью общего ознакомления чи­ тателя с примерными характеристиками и основными свой­ ствами аппаратуры того или иного тактического назначения. Поэтому они не могут использоваться читателями в качестве справочного материала, относящегося к конкретным образцам техники.

Некоторые конкретные образцы и отдельные узлы описы­ ваемой в книге аппаратуры относятся к зарубежным (глав­ ным образом американским и английским) радиолокацион­ ным станциям и инфракрасным приборам, дополнительные сведения о которых читатель может получить из приводимых в конце книги переводных работ.

Приведенная во второй части книги классификация радио­ локационной и инфракрасной аппаратуры не является обще­ признанной. Особенно это относится к новым областям бое­ вой техники, в частности к радиоэлектронной аппаратуре ра­ кетных средств, классификация которых дается во многих книгах различно1

1 См. А. С. Л о к к . Управление снарядами. Гостехиздат, 1957.

Г Л А В А X

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ

ПРИНЦИП ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ РАДИОЛОКАЦИОННЫМИ СТАНЦИЯМИ

Радиолокацией называется совокупность средств и мето­ дов обнаружения и определения местоположения различных объектов с помощью радиоволн.

Местоположение можно определять одним из следующих методов:

—облучением объекта радиоволнами и приемом отра­ женного от него радиосигнала;

—облучением объекта радиоволнами и приемом от него ретранслированного сигнала;

—приемом сигналов, излучаемых самим объектом.

В большинстве случаев в радиолокации применяется пер­ вый и частично второй из этих методов. Первый метод не тре­ бует радиопередающих устройств на объектах радиолокации. Поэтому он может быть использован для обнаружения и оп­ ределения местоположения не только своих, но и вражеских объектов.

При втором методе на обнаруживаемом объекте должна быть «ответная» радиоаппаратура, излучающая ответный сиг­ нал после облучения радиоволнами своей станции, т. е. ре­ транслирующая определенные сигналы. Такой метод приме­ няется для опознавания своих объектов, в навигационных це­ лях, а также для обнаружения объектов (главным образом управляемых снарядов) и управления их движением.

Третий метод используется в основном при радиопеленга­ ции объектов и для наведения снарядов на-цель по ее излуче­ нию.

Таким образом, если под термином «радиолокация» под­ разумевать в основном первый и второй из указанных выше методов, то для обнаружения и определения местоположения объекта (самолета, корабля, крупных населенных пунктов

215

и т. д.) радиолокационная станция должна выработать элек­ тромагнитную энергию, излучить ее в нужном направлении, принять и зарегистрировать отраженный (ретранслирован­ ный) сигнал.

Координаты отражающего объекта определяются радио­ локационными станциями путем измерения дальностиэтого объекта и установления направления на него.

Импульсный метод измерения дальности. Наиболее распро­ страненный в настоящее время метод измерения дальности — импульсный. При этом методе станция излучает электромаг­ нитную энергию не непрерывно, а в течение небольшого про­ межутка времени, измеряемого обычно миллионными долями секунды, после чего некоторое время работает только на прием, улавливая и регистрируя отраженные сигналы. Затем станция излучает следующий импульс и вновь переходит на прием.

Момент, когда сигнал, отраженный от объекта, достигнет станции, зависит от удаленности этого объекта: чем больше

Определив время запаздывания отраженного сигнала по от­ ношению к зондирующему импульсу и зная скорость распро­ странения радиоволн, можно найти расстояние до отражаю­

t — время запаздывания сигнала, т. е. время распростра­ нения его в прямом и обратном направлении;

с— скорость распространения радиоволн, которую с до­ статочной степенью точности можно принять рав­ ной 300000 км/сек.

Цифра 2 в знаменателе формулы указывает на прохожде­ ние радиоимпульсом двойного пути — от радиолокационной станции до объекта и обратно.

Таков принцип измерения расстояния при импульсном ме­ тоде работы радиолокационной станции. Он достаточно прост, дает очень высокую точность измерения дальности и позво­ ляет упростить, как мы убедимся в дальнейшем, антенную си­ стему станций. Поэтому он широко применяется в современ­ ной радиолокационной аппаратуре.

Измерение дальности при непрерывном излучении радио­ волн. Наряду с импульсными радиолокационными станциями в настоящее время применяются и станции с непрерывным из­ лучением. При этом методе работы также можно измерить

216

дальность отражающего объекта. Действительно, как мы убе­ дились, для измерения дальности необходимо определить мо­ мент излучения радиоволн, с которого начинается отсчет вре­ мени их распространения, и момент прихода отраженного сиг­ нала. С этой целью и применяют импульсное излучение радиоволн, так как при импульсной посылке сигнала легко определить как момент излучения, так и момент приема. Однако изменение амплитуды сигнала (т. е. создание импуль­ сов) — не единственный метод, позволяющий нанести на излу­ чаемые колебания своеобразную «метку», по которой можно было бы определить моменты излучения и приема.

Как известно, колебания характеризуются тремя парамет­ рами: амплитудой, фазой и частотой. Таким образом, момент излучения и приема можно определить не только по ампли­ туде, но и по фазе и частоте сигнала. Эти методы и исполь­ зуются обычно при непрерывном излучении радиоволн. До­ стоинства и недостатки этих методов, как и принцип работы станций, основанный на них, мы рассмотрим несколько позже, когда будем знакомиться с конкретными типами радиолока­ ционных станций.

Определение направления (измерение угловых координат).

Для определения направления на отражающий объект (на­ зываемый часто радиолокационной целью) в радиолокацион­ ных станциях обычно применяются направленные антенны, из­ лучающие радиоволны узким лучом, подобно прожектору. При вращении такой антенны и последовательном обзоре ра­ диолучом требуемой зоны пространства происходит последо­ вательное облучение всех целей, находящихся в этой зоне. От­ раженный от каждой цели сигнал имеет наибольшее значение в тот момент, когда цель находится в направлении максимума

217

радиолуча, или, как примято говорить, максимума диаграммы направленности антенны (рис. 114). Фиксируя в это время по­ ложение антенны и радиолуча, определяют азимут |3 и угол места е цели.

Азимутом называется угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый обычно от направления на север по направ­ лению вращения часовой стрелки.

Углом места называется угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтальной плоскости до направления на цель.

В ряде случаев, когда радиолокационная станция разме­ щается на быстро перемещающемся объекте, например на управляемом снаряде, относительное угловое положение цели и снаряда измеряют не азимутом и углом места, а углами, от­ считываемыми в двух перпендикулярных плоскостях относи­ тельно направления полета снаряда.

Метод определения направления на цель, при котором фиксируется момент нахождения цели в максимуме диа­ граммы направленности, получил название «метода макси­ мума». Он используется в некоторых типах радиолокацион­ ных станций различного тактического назначения. Метод мак­ симума дает обычно невысокую точность определения коорди­ нат. Для получения более высоких точностей прибегают к другим, более сложным методам, которые подробно будут рассмотрены в разделе, посвященном описанию станций ору-

.дийной наводки и нцведения управляемых зенитных снарядов.

218