Радиовидение

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ

      Со времени изобретения радио прошло немного больше полувека, но это поистине сказочное изобретение выдающегося русского ученого Александра Степановича Попова проделало большой и бурный путь развития.
      7 мая (25 апреля по старому стилю) 1895 года А. С. Попов впервые продемонстрировал изобретенный им радиоприемник, а 24(12) марта следующего года он передал первую в мире радиограмму. Так родилось новое средство связи — радио. Дата 7 мая, когда А. С. Попов впервые показал возможность приема радиоволн, ежегодно отмечается в нашей стране как День радио.
      Радиотехника, развивавшаяся вначале только как техника радиосвязи, впоследствии разделилась на целый ряд отраслей. К ним, в частности, относятся: широковещание — передача по радио речи и музыки для широкого круга радиослушателей — и телевидение — передача по радио движущихся изображений. Элементы радиотехнических устройств применяются сейчас в самых разнообразных отраслях науки и техники: в медицине, металлургии, сельском хозяйстве, астрономии, метеорологии, географии и многих других. Жизнь современного человека трудно представить без гениального творения А. С. Попова.
      За последние годы из радиотехники выделилась еще одна отрасль — радиолокация — обнаружение различных объектов и определение расстояний до них при помощи радиоволн, отражающихся от этих объектов. Радиолокация зародилась благодаря успешному развитию общей радиотехники и впитала в себя многие ее достижения.
      Мы можем с гордостью заявить, что основоположниками радиолокации являются ученые и инженеры нашей Родины и среди них первое место принадлежит самому изобретателю радио А. С. Попову. Он впервые описал в 1897 году явление отражения радиоволн, на котором основано действие радиолокационных устройств.
      Радиолокационные станции, или сокращенно радиолокаторы, имеют самое разнообразное назначение. В этой брошюре рассказывается об одном из замечательнейших представителей большой «семьи» — о самолетном панорамном радиолокаторе, позволяющем получить изображение земной поверхности, над которой пролетает самолет.
      Изображение местности на экране радиолокатора практически почти не зависит от того, происходит ли полет днем, ночью, в облаках или за облаками, в пасмурную или ясную погоду*.
      * Правда, облака, содержащие крупные выпадающие осадки, например, крупные капли дождя, крупный град или снег, могут создать некоторые помехи.
     
      Трудно переоценить те возможности, которые дает самолетный панорамный радиолокатор для самолетовождения. В самом деле, возможность «видеть» участок земной поверхности при полете ночью или за облаками значительно облегчает трудную задачу привода самолета из одного пункта в другой при неблагоприятных условиях полета.
      Изображение местности на экране панорамного радиолокатора, часто называемое радиолокационным изображением, значительно отличается от того, что видят глаза человека, смотрящего на эту местность. Прежде чем рассказать о том, как получается радиолокационное изображение местности на экране радиолокационной станции, напомним, как видит человек.
     
     
      СВЕТ И НАШЕ СВЕТООЩУЩЕНИЕ
     
      Человек воспринимает внешний мир при помощи своих органов чувств. Органы чувств — это как бы окна, через которые человек общается с внешним миром и благодаря которым мир предстает перед ним во всем его многообразии.
      Сигналом из внешнего мира, воздействующим на наш орган зрения, является свет. Рассмотрим его природу.
      Свет — это электромагнитные колебания, подобные тем, которые создаются передатчиками радиостанций. Световые волны отличаются от радиоволн только длиной, что и определяет различное физиологическое действие их на человека.
      Электромагнитные колебания, излучаемые радиостанциями, имеют длину волны от нескольких тысяч метров до нескольких сантиметров. Волны такой длины организмом человека непосредственно не ощущаются. Каждое мгновение нас пронизывают потоки электромагнитных волн различных длин от тысяч больших и малых радиостанций, а мы об этом даже и не догадываемся. Только включив приемник и вращая его ручку настройки, мы можем обнаружить радиоволны.
      Световые волны имеют значительно меньшую длину, чем радиоволны, а именно, от 0,4 до 0,7 микрон (микрон равен одной тысячной доле миллиметра). В природе есть волны еще меньшей длины, чем световые, но только волны длиной 0,4—0,7 микрон вызывают у нас ощущение света.
      От источника световых электромагнитных колебаний, например от зажженной свечи, во все стороны расходятся, или, как говорят, излучаются, световые волны. Часть их, идущая в направлении глаза человека, попадает через зрачок на так называемую сетчатку глаза и, раздражая ее, вызывает ощущение света. Мы видим свечу. Таким образом, свеча — это как бы передатчик электромагнитных волн, подобный радиопередатчику, а глаз — приемник, отличающийся от радиоприемника тем, что он принимает гораздо более короткие волны.
      Если свеча или какой-нибудь другой источник света виден потому, что он излучает световые волны, то каким же образом мы видим различные предметы, которые световых волн непосредственно не излучают, например, брошюру, которую мы читаем, стол, стены комнаты? Ведь их можно видеть только в том случае, если они посылают нам в глаза световые волны. Фактически они эти волны посылают, но «вырабатывают» их не сами, а отражают в глаз наблюдателя падающие на них световые волны от какого-нибудь источника. Закроем наглухо светонепроницаемой перегородкой окна и двери в комнате и потушим свет, и мы абсолютно ничего не увидим, потому что никаких световых волн в наши глаза поступать не будет. Включим электрическую лампочку — и комната с ее обстановкой снова предстанет перед нами. Распространяющиеся от лампы световые волны, падая на предметы в комнате, отражаются от них в различных направлениях, в том числе и в направлении наших глаз, и вызывают у нас соответствующие световые раздражения, в результате которых в нашем мозгу воспроизводится вид этих предметов.
     
     
      РАССЕЯННОЕ И ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТРАЖЕНИЯ
     
      Для того чтобы на примере световых волн отчетливее представить процессы, связанные с получением радиолокационного изображения местности, рассмотрим несколько подробнее особенности отражения световых волн.
     
      Рис. 1. Рассеянное и зеркальное отражения световых волн
     
      Различные объекты отражают падающий на них свет по-разному. Различают рассеянное и зеркальное отражения.
      Неровные (шероховатые) поверхности отражают падающие на них световые волны во все стороны — рассеянно (рис.1,а).
      Гладкие поверхности отражают свет зеркально: падающие световые волны отражаются от них не во все стороны, а в строго определенном направлении (рис.1, б). Это направление определяется законом зеркального отражения: угол падения световых волн равен углу отражения.
      Характер отражения обусловливает очень многие особенности в восприятии глазом предметов внешнего мира. Приведем пример, который впоследствии поможет нам объяснить некоторые особенности радиолокационного изображения местности на экране панорамного радиолокатора.
     
      Рис. 2. Зеркальное отражение света от оконного стекла
     
      Кто не наблюдал, как в час солнечного заката окна некоторых домов кажутся ярко горящими? Затем они темнеют, а вместо них другие окна, бывшие перед этим темными, начинают светиться ярким светом. Явление это объясняется зеркальным отражением света от оконного стекла. Часть солнечных лучей, падающих на поверхность окна, проходит в комнату, а часть, в силу того что стекло представляет собой гладкую (зеркальную) поверхность, отражается по закону зеркального отражения. Если наблюдатель находится в направлении, в котором идет отраженный свет, как это изображено на рис. 2, то он видит окно ярко светящимся. Через некоторое время вследствие вращения земли ее положение относительно солнца изменится (часть траектории движения солнца на рис. 2 показана пунктиром). Изменится и направление отражения; отраженный от стекла свет не будет попадать в глаза наблюдателя, и яркое свечение окна прекратится. В течение этого времени стена того же здания, представляющая собой шероховатую, рассеянно отражающую поверхность, почти не будет изменять окраски, так как при любом положении солнца часть световых волн от стены будет отражаться в глаза наблюдателя.
      Таким образом, поверхности предметов, отражающие зеркально и ориентированные так, что падающие на них световые волны отражаются в направлении глаз наблюдателя, дают ярко освещенные пятна, или так называемые блики. Блики получаются, например, когда автомобиль или трамвай на каком-то участке движения занимает такое положение, что солнечный свет от стекол отражается в направлении наших глаз.
      В солнечный зимний день блики получаются от снежинок, от тех граней их, которые отражают свет в глаза наблюдателя.
      Зеркально отражающая поверхность дает блики только при определенном положении ее плоскости относительно источника света и глаз наблюдателя. Достаточно изменить положение источника света, наблюдателя или зеркально отражающей поверхности, как отраженный свет в глаза попадать уже не будет и поверхность, только что казавшаяся яркой, сделается темной. В этом отношении рассеянно отражающие поверхности ведут себя иначе. Ярких бликов они не дают. Отражая падающие на них световые волны рассеянно, во все стороны, они посылают свет в глаза наблюдателя при любом его положении относительно отражающей поверхности (если наблюдатель находится с той стороны рассеянно отражающей поверхности, с какой находится и источник света).
     
     
      НЕВИДИМОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
     
      Выясним, почему людям, летящим на самолете днем за облаками, не видно земли. Было бы не совсем правильным мнение, что это происходит потому, что облака загораживают, закрывают землю от световых лучей солнца. Ведь даже в очень пасмурную погоду, когда на небе сплошная облачность, на земле все же настолько светло, что мы хорошо видим окружающие нас предметы. Это говорит о том, что облака не являются непроницаемыми для солнечного света и значительная часть излучаемых солнцем световых волн проходит через толщу облаков к земной поверхности.
      Но почему же тогда с самолета, летящего над облаками, не видно земли? Для того чтобы видеть землю, нужно, очевидно, чтобы прошедшие от солнца к земле световые лучи, отразившись от нее, снова прошли сквозь облака и попали в глаза находящегося в самолете человека. Так оно и происходит, но при повторном пробивании облаков отраженный от земли свет сильно поглощается ими и в глаза наблюдателя попадает лишь очень малая часть световых лучей. Но и этот пробившийся сквозь облака свет не может создать изображения земной поверхности потому, что облака состоят из миллионов капелек воды и световые лучи, отражаясь от капельки к капельке, изменяют свое первоначальное направление движения. Получается то же явление, что и в случае, если комнату застеклить матовыми стеклами: свет с улицы через такие стекла проникает в комнату, но видеть через них с улицы предметы, находящиеся внутри комнаты, невозможно.
      Таким образом, видеть землю сквозь облака невозможно вследствие поглощения и рассеивания ими солнечного света.
      Теперь ответим на вопрос: каким же образом «видит» сквозь облака и туман самолетный панорамный радиолокатор? Почему для него облака не являются препятствием?
      Выше мы рассмотрели, как происходит наше зрительное восприятие: источник света — предметы, от которых свет отражается, — глаза человека и мозг, в котором создается картина этих предметов.
      По такой же примерно схеме работает самолетный панорамный радиолокатор. Hо вместо световых электромагнитных волн в нем используются более длинные радиоволны.
      Эти волны свободно проходят сквозь облака и туман, не меняя направления движения, и почти не поглощаются облаками.
      В самолетном панорамном радиолокаторе имеется передатчик, вырабатывающий колебания высокой частоты, которые при помощи антенны излучаются по направлению к земной поверхности. Передатчик работает не непрерывно, а короткими импульсами. Излученный антенной импульс радиоволн доходит до земли и отражается от нее. Часть энергии радиоволн, отразившаяся в направлении самолетного радиолокатора, принимается антенной и направляется в приемник, который усиливает и преобразует принятый сигнал. На выходе приемника в этом случае возникает электрическое напряжение. Оно подается на индикатор, на экране которого образуется изображение земной поверхности, воспринимаемое нашим глазом.
      Таким образом, при работе панорамного радиолокатора местность «освещается» невидимыми для глаза радиоволнами.
      Выясним, какие длины волн используются в панорамном радиолокаторе. Читатель, наверное, знаком с тем, что радиоволны разделяются на длинные, средние, промежуточные, короткие и очень короткие, или ультракороткие. Самолетный панорамный радиолокатор работает на ультракоротких радиоволнах, длина которых равна нескольким сантиметрам, почему эти радиоволны и называют сантиметровыми.
      Ультракороткие волны применяются в радиолокации, в частности в самолетном панорамном радиолокаторе, потому, что с укорочением длины радиоволн улучшаются условия их отражения от различных предметов. Кроме того, предназначенные для работы в этом диапазоне главные части радиолокатора: передатчик, приемник и особенно антенна остронаправленного излучения — должны иметь небольшие геометрические размеры, чего очень трудно добиться при относительно длинных радиоволнах.
      Если бы, например, потребовалось сделать направленной, т. е. излучающей в строго определенном направлении, антенну длинноволновой широковещательной станции, то пришлось бы строить сооружение, имеющее несколько километров в высоту и в ширину, что технически выполнить невозможно.
      Для направленного же излучения очень коротких электромагнитных колебаний — световых волн, получающихся, например, от раскаленной нити лампочки накаливания, достаточно небольшого параболического отражателя (рефлектора). Такое направленное светоизлучение применяется в автомобильных фарах и в карманных фонариках.
      Сравнивая эти два примера, мы видим, что при направленном излучении размеры антенного устройства зависят от длины волны. Читатель может удивиться: почему сравниваются такие, казалось бы, различные вещи, как рефлектор карманного фонарика или автомобильной фары и радиоантенна? Но на самом деле в этом сравнении нет ничего странного. Ведь мы уже знаем, что природа световых волн и радиоволн одна и та же.
      Мало того, при укорочении длины радиоволн они по своим свойствам приближаются к световым, а в конструкции антенн, работающих на очень коротких радиоволнах, например сантиметровых, появляются элементы, сходные с элементами светотехнических устройств. Очень часто антенны сантиметровых волн имеют в качестве главной части отражатель (рефлектор), очень похожий на применяемый в светотехнике. При уменьшении длины радиоволн до долей сантиметра сходство их со световыми волнами проявляется еще и в том, что они почти так же, как и световые волны, сильно затухают при прохождении в облаках. Это и ставит пределы уменьшению длин радиоволн, применяемых в радиолокации.
      Радиолокация стала особенно успешно развиваться лишь после того, как были получены достаточно мощные и стабильно работающие источники сантиметровых волн. Здесь много сделали советские ученые и инженеры. Многокамерный магнетрон — современный источник сантиметровых волн создали впервые в мире инженеры Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров в 1936—1937 годах. Магнетроны могут вырабатывать очень мощные импульсы электрических колебаний очень высоких частот, соответствующих радиоволнам длиной в несколько сантиметров.
     
     
      ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ САМОЛЕТНОГО
      ПАНОРАМНОГО РАДИОЛОКАТОРА
     
      Самолетный панорамный радиолокатор, как и другие радиолокаторы, работающие в импульсном режиме, имеет следующие основные части: передатчик, антенну, приемник, индикатор и синхронизатор.
     
      Передатчик
     
      Передатчик радиолокационной станции, работающей в импульсном режиме, вырабатывает короткие импульсы колебаний очень высокой частоты и большой мощности. Характер импульсов, вырабатываемых передатчиком, изображен на рис.3. Они повторяются примерно тысячу раз в секунду. Продолжительность каждого импульса может быть около одной миллионной доли секунды, или одной микросекунды. Таким образом, импульсный передатчик значительно больше «отдыхает», чем «работает».
     
      Рис. 3. Импульсная работа передатчика
     
      Из-за большой продолжительности паузы по сравнению с продолжительностью излучения рисунок было бы очень трудно выполнить в масштабе. Действительно, пусть по оси времени на этом рисунке один сантиметр соответствует одной микросекунде. Тогда импульс должен изобразиться отрезком длиной в один сантиметр, а пауза между импульсами должна изображаться отрезком длиной в десять метров. Конечно, выполнить такой рисунок в масштабе невозможно, поэтому на рисунке длительность импульса показана непропорционально большой по сравнению с длительностью паузы.
      Как уже говорилось ранее, сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, вырабатываемые передатчиком, имеют длину волны в несколько сантиметров.
      Предположим, что панорамный радиолокатор работает на волне 3 см. Подсчитаем, сколько колебаний произойдет за время получения одного импульса.
      Число колебаний в секунду при известной длине волны равно (...)
      За время излучения одного импульса — примерно за одну микросекунду — произойдет в миллион раз меньше колебаний, чем за секунду, т. е. 10000 колебаний. Изобразить на рис.3 импульс, содержащий 10000 колебаний, также невозможно, поэтому и с этой точки зрения рисунок выполнен не в масштабе: на нем показаны импульсы, содержащие всего по три колебания.
      Электрические колебания сверхвысокой частоты в передатчике создаются специальными электронными лампами, чаще всего магнетронами. Эти лампы преобразуют энергию источника постоянного тока в высокочастотные колебания. Напряжение, под воздействием которого начинает работать генераторная лампа сантиметровых волн, подается не непрерывно, а импульсами (рис.3,б). Импульсы постоянного напряжения вырабатываются в передатчике специальным устройством — модулятором. Все время, пока длится импульс, магнетрон генерирует, т. е. вырабатывает высокочастотные колебания. Как только импульс, поступающий от модулятора, заканчивается,— колебания прекращаются.
      Импульсы колебаний сверхвысокой частоты от передатчика по специальной соединительной линии передаются в антенну. В качестве такой линии для передачи энергии на сантиметровых волнах применяются так называемые волноводы (рис.4) — металлические тонкостенные трубы прямоугольного или круглого сечения. Электромагнитная энергия в этом случае распространяется по внутреннему объему трубы (волновода).
     
      Антенна
     
      Антенна самолетного панорамного радиолокатора предназначена для того, чтобы излучать в определенном направлении импульсы высокочастотных колебаний, а затем после отражения радиоволн от земной поверхности принимать отраженные сигналы. Общий вид одной из конструкций антенны сантиметровых «волн показан на рис.5.
      Рис. 5. Антенна панорамного радиолокатора
      Антенна крепится внизу фюзеляжа самолета так, чтобы ничто не препятствовало излучению радиоволн по направлению к земной поверхности, т. е. чтобы на пути распространения радиоволн не было металлических или других препятствий. Чтобы в полете антенна не создавала большого аэродинамического сопротивления, поверх нее надевают так называемый обтекатель — колпак, изготовленный из материала, не поглощающего излучаемую энергию. Крепление антенны на самолете показано на рис.6.
     
      Рис. 6. Крепление антенны на самолете
      Рис. 7. Направление движения радиоволн в антенне пни излучении импульса
     
      На рис. 7 антенна изображена в разрезе. Сквозь центр отражателя проходит волновод прямоугольного сечения, который оканчивается разветвлением со щелями, обращенными к отражателю. Импульсы высокочастотных электромагнитных колебаний от передатчика по волноводу следуют до этого разветвления. Здесь они изменяют направление своего движения на 180° и через щели в оконечности волновода направляются на особой формы отражатель, отражающий электромагнитные волны по направлению к земной поверхности. Границы, в которых движутся электромагнитные волны от отражателя к земной поверхности, показаны на рис.8. В горизонтальной плоскости излучение происходит в пределах небольшого угла порядка 3—4°, а в вертикальной плоскости — в виде веера раствором около 90°. Благодаря такой направленности излучения в том направлении, куда повернута антенна, на земной поверхности облучается узкая полоска. На рис.8 эта полоска заштрихована.
     
      Рис. 8. Характер излучения антенны панорамного радиолокатора
     
      При работе радиолокатора антенна при помощи специального электродвигателя вращается вокруг вертикальной оси. Скорость вращения антенны составляет примерно 20 оборотов в минуту (один оборот за три секунды). При повороте антенны соответственно изменяется и направление облучения. За один оборот антенна последовательно облучит импульсами электромагнитных волн земную поверхность вокруг самолета. Так как в секунду излучается примерно 1000 импульсов, то за один оборот антенны поверхность земли вокруг самолета будет облучена 3000 импульсов.
      Сразу же после излучения импульса антенна из передающей становится приемной. Направление движения электромагнитных колебаний в антенне при приеме отраженного от земли сигнала показано на рис. 9. Отраженные от земли волны попадают на отражатель антенны, от него — в щели на конце волновода, а затем по волноводу поступают на вход приемника. Приемник усиливает принятый сигнал, преобразует его, и в результате на выходе приемника образуется напряжение, пропорциональное величине принятого отраженного сигнала: чем больше приходящий отраженный сигнал, тем больше напряжение на выходе приемника. С выхода приемника напряжение подается на индикатор панорамного радиолокатора.
     
      Рис. 9. Направление движения электромагнитной энергии в антенне при приеме отраженного сигнала
      Рис. 10. Действие антенного коммутатора
     
      На рис. 10 показана схема совместной работы приемника и передатчика на одну антенну. Такая работа возможна благодаря применению антенного коммутатора, способного очень быстро переключать антенну с приема на передачу и наоборот. Во время излучения импульса высокой частоты антенный коммутатор подключает антенну к передатчику, не пропуская энергии импульса в цепь приемника. Как только излучение импульса окончилось, антенный коммутатор автоматически отключает от антенны передатчик, подключая к ней приемник. Конечно, механическое устройство не сумело бы производить это переключение с такой большой скоростью, примерно тысячу раз в секунду.
     
      Индикатор
     
      Индикатором самолетного панорамного радиолокатора служит электроннолучевая трубка.
      Рис. 11. Электроннолучевая трубка с магнитным отклонением пятна
      Электроннолучевая трубка, показанная на рис. 11, представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. В левой части баллона к металлическим выводам, проходящим через стекло колбы, припаяна нить накала, изображенная на рисунке в виде спирали. С внешней стороны трубки к выводам нити накала подключен источник напряжения. Ток от источника, проходя по нити, накаливает ее. Нагретая до красного каления, нить нагревает диск, называемый катодом. Катод покрыт веществом, которое обладает свойством при нагреве интенсивно выделять мельчайшие частицы, несущие отрицательные электрические заряды — электроны.
      Цилиндр с отверстием, расположенный рядом с катодом, называется электродом, управляющим яркостью пятна, или просто управляющим электродом. О назначении его будет сказано несколько позднее.
      За управляющим электродом находится другой цилиндр с отверстием, называемый первым анодом. К нему подключается плюс источника постоянного напряжения (минус этого источника подсоединен к катоду). Условно источник напряжения изображен в виде батареи. Электроны, вылетающие с катода, стремятся к первому аноду, заряженному положительно. Часть электронов, летящая к первому аноду, оседает на нем, а остальные с большой скоростью пролетают через отверстие в центре первого анода и устремляются к экрану.
      Экраном называется дно воронкообразной части колбы с нанесенным на него с внутренней стороны специальным веществом. Это вещество обладает свойством светиться при ударе q него электронов, т. е. при бомбардировке электронами оно становится источником световых волн.
      Можно сказать, что экран преобразует энергию движущихся электронов в световую энергию.
      Свойство вещества излучать световые волны при ударе электронов называется электролюминесценцией. Этим свойством обладает, например, сернистый цинк.
      Электролюминесцирующее вещество наносится на стекло дна колбы, с внутренней стороны ее, достаточно тонким слоем, поэтому, глядя с наружной стороны на дно колбы, можно отчетливо видеть след падения электронного луча — светлое пятнышко.
      Пролетев первый анод, электроны движутся к экрану, во-первых, за счет инерции, создавшейся при выходе электронов из первого анода, и во-вторых, потому, что электроны попадают в поле действия второго анода. Второй анод — это проводящий слой, нанесенный на стекло колбы на участке воронкообразной части ее. К этому аноду подводится высокое напряжение через вывод в стекле на воронкообразной части колбы. Второй анод создает электрическое поле, еще более ускоряющее движение электронов к экрану.
      Для получения четкого изображения на экране необходимо сделать так, чтобы электронный луч в месте удара его об экран имел наибольшую плотность и соответственно наименьшее сечение. Эту задачу собирания электронов в узкий луч выполняет так называемое фокусирующее устройство.
      Фокусировку электронного луча можно осуществить двумя способами: при помощи магнитного поля или при помощи электрического поля. В панорамных радиолокаторах применяются трубки с магнитной фокусировкой.
      Магнитное фокусирующее устройство представляет собой катушку проволоки, которую надевают на горловину трубки, как указано на рисунке.
      При пропускании тока по этой катушке вокруг нее появляется магнитное поле. Оно заставляет электроны, вылетевшие из отверстия в первом аноде, группироваться в узкий луч. Качество фокусировки, т. е. собирания электронов в узкий луч, зависит от величины тока в фокусирующей катушке. Нужная величина тока устанавливается реостатом.
      При правильно подобранном токе в фокусирующей катушке электроны при приближении к экрану собираются в один узкий луч (отсюда и название — электроннолучевая трубка). Если электронный луч сфокусирован плохо, то на экране получается светящееся расплывчатое пятно.
      Яркость пятна на экране зависит также от количества электронов в луче: чем больше электронов, тем ярче пятно. Количество электронов, летящих с катода к экрану, зависит от напряжения на управляющем электроде.
      Если на управляющий электрод не подавать никакого напряжения, то электроны с катода через отверстие в управляющем электроде будут беспрепятственно пролетать к первому аноду, а затем к экрану. При этом интенсивность луча, а следовательно, и яркость пятна будут большими. Если же на управляющий электрод подать отрицательное напряжение, то он начнет отталкивать летящие к первому аноду электроны, вследствие чего к экрану приблизится меньшее число электронов*.
      * Как известно, два одинаково заряженных тела отталкиваются, поэтому отрицательно заряженный управляющий электрод отталкивает электроны. Разноименные заряды притягиваются, поэтому электроны и стремятся к положительно заряженному первому аноду.
     
      Яркость пятна на экране уменьшится. Можно на управляющий электрод подать такое отрицательное напряжение, при котором электронный поток полностью прекратится и к экрану электроны пролетать не будут.
      На управляющий электрод постоянно подается отрицательное напряжение, которое обусловливает начальную яркость пятна на экране. Это напряжение можно регулировать специальной ручкой, изменяя таким образом начальную яркость пятна.
      Одновременно с постоянно подаваемым отрицательным напряжением на управляющий электрод с выхода приемника подается изменяющееся во времени положительное напряжение. Величина его, как уже говорилось, зависит от величины приходящего отраженного сигнала.
      В соответствии с изменением этого положительного напряжения в большей или меньшей степени уменьшается влияние постоянного отрицательного напряжения, что ведет к изменению яркости пятна. Так, если приходит сильный отраженный сигнал, то на выходе приемника получается большое положительное напряжение; влияние отрицательного напряжения уменьшается значительно, и к экрану приближается больше электронов. Пятно на экране становится ярче. Если приходящий отраженный сигнал слаб, положительное напряжение на выходе приемника невелико и уменьшение действия отрицательного напряжения небольшое. Электронов при этом к экрану пролетает меньше — соответственно уменьшается яркость пятна. Таким образом, яркость пятна на экране изменяется соответственно силе приходящего отраженного сигнала: чем больше отраженный сигнал, тем ярче пятно на экране.
      Экран трубки панорамного радиолокатора обладает свойством послесвечения. Это свойство заключается в том, что место экрана, на которое падает электронный луч, продолжает светиться некоторое время и после того, как электронный луч сместится в другое место. Послесвечение длится несколько секунд.
     
     
      РАДИАЛЬНО-КРУГОВАЯ РАЗВЕРТКА
     
      Для получения на экране трубки изображения земной поверхности необходима так называемая радиально-круговая развертка — комбинированное движение светового пятна по радиусу экрана и по кругу.
      Отклонение электронного луна, а значит и перемещение пятна по экрану могут осуществляться при помощи электрического или магнитного поля. В индикаторе панорамного радиолокатора для отклонения пятна чаще используется магнитное поле.
      Рассмотрим действие магнитного поля на электронный луч.
     
      Рис. 12. Магнитное поле между двумя катушками. Сила магнитного поля пропорциональна величине тока в катушках
     
      Если по катушке (рис.12), состоящей из двух последовательно соединенных секций, пропустить электрический ток, то между секциями появится магнитное поле. Напряженность этого поля будет пропорциональна току в катушках: чем больше ток, тем больше напряженность магнитного поля. Направление магнитных силовых линий, при помощи которых выражают структуру магнитного поля (от нижней секции к верхней или от верхней к нижней), будет зависеть от направления тока в катушке. Пусть ток в катушке идет в таком направлении, что магнитные силовые линии между секциями направлены от верхней секции к нижней.
      Если катушку, по виткам которой течет электрический ток, надеть на горловину электроннолучевой трубки (рис.13), то магнитное поле катушки начнет действовать на летящие электроны, отклоняя их в сторону. Направление отклонения электронов перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Определить это направление можно по правилу правой руки. Для этого нужно ладонь правой руки расположить перпендикулярно силовым линиям магнитного поля так, чтобы они как бы входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление движения электронов. Тогда отогнутый большой палец покажет, в какую сторону отклоняется пятно, соответствующее Месту падения электронного луча на экран индикатора*.
      * В учебниках физики приводится правило левой руки, по которому определяется направление отклонения проводника с током, находящегося в магнитном поле. Электроны движутся в сторону, обратную принятому условному направлению тока, т. е. не от плюса к минусу, а от минуса к плюсу; поэтому для определения стороны отклонения электронного луча в магнитном поле удобнее пользоваться рекомендованным здесь правилом правой руки.
     
      Величина отклонения электронного луча пропорциональна силе магнитного поля: чем больше напряженность магнитного поля, тем больше и отклонение. Но так как напряженность магнитного поля пропорциональна току в катушке, то по-другому можно сказать, что отклонение электронного луча пропорционально току в катушке: если ток равен-нулю — отклонения нет, электронный луч попадает в центр экрана (пятно в центре); если по катушке пропущен ток, пятно отклоняется на какую-то величину от центра экрана.
     
      Рис. 13. Действие магнитного поля на электронный луч
     
      Нужно отметить, что электроны отклоняются только в зоне действия магнитного поля. При выходе из зоны поля они летят к экрану уже прямолинейно.
      Катушка, надеваемая на горловину электроннолучевой Трубки, называется отклоняющей катушкой, а ток в ней, который создает магнитное поле и отклонение пятна, называется отклоняющим током, или током развертки.
      Радиально-круговая развёртка — это сложное движение пятна по радиусу экрана и по кругу. Рассмотрим вначале, как получается первая составляющая этой развертки — радиальная.
      Для того чтобы пятно перемещалось по радиусу экрана, нужно, очевидно, постепенно увеличивать напряженность магнитного поля, образующегося между катушками, от нуля (пятно в центре) до какой-то величины, при которой пятно отклонится на край экрана. Значит для получения радиальной развертки нужно в отклоняющие катушки подавать ток, который периодически изменяется от нуля до необходимого значения. Поэтому в схему панорамного радиолокатора входит специальное устройство — генератор тока развертки. Назначение его заключается в том, чтобы вырабатывать ток, периодически изменяющийся от нуля до значения, при котором пятно отклоняется на край экрана. Этот ток называют часто пилообразным током из-за сходства кривой, которой он характеризуется, с зубцами пилы.
     
      Рис. 14. Получение радиальной развертки
     
      На рис. 14 показан экран электроннолучевой трубки. Сбоку изображены отклоняющие катушки, подключенные к генератору тока развертки. В левой части рисунка показано, как изменяется во времени ток развертки в отклоняющих катушках.
      По вертикальной оси графика откладываются значения тока развертки и значения отклонений пятна по экрану.
      При указанном на рис. 14 расположении отклоняющих катушек и направлении силовых линий магнитного поля, идущих справа налево, пятно на экране отклоняется от центра экрана вверх. Для примера на рисунке зафиксированы три момента времени: t1, t2, tp.
      В момент времени ток развертки имеет величину, при которой пятно находится в точке 1 экрана. К моменту t2 ток развертки возрос и пятно переместилось по экрану в точку 2. В момент времени tp ток развертки достиг амплитудного (наибольшего) значения и пятно перешло на край экрана. С этого момента ток резко падает по величине до нулевого значения, а пятно быстро возвращается в центр экрана. Время, в течение которого ток развертки нарастает от нуля до амплитудного значения (а пятно равномерно движется от центра экрана к периферии), называется временем прямого хода развертки, а время, когда ток уменьшается от амплитудного значения до нуля, — временем обратного хода развертки.
      Циклов развертки в секунду совершается столько же, сколько и циклов излучения; после каждого излучения импульса начинается развертка. Так как в секунду излучается примерно тысяча импульсов, то столько же раз в секунду пятно отклоняется на край экрана.
      Во время быстрого движения пятна от центра к периферии глаз не успевает заметить отдельные положения пятна, а поэтому весь путь движения пятна воспринимается глазом как одна светящаяся линия — светящийся радиус.
      Если в отклоняющие катушки подавать пилообразный ток и одновременно поворачивать эти катушки, то и направление радиальной развертки на экране будет изменяться. В результате получается радиально-круговая развертка (рис.15). На рисунке экран электроннолучевой трубки повернут к читателю. По краям экрана расположены отклоняющие катушки, питаемые током развертки. Радиус на экране — это светящийся след, оставляемый электронным лучом, который отклоняется перпендикулярно оси отклоняющих катушек. При повороте их соответственно изменяется и направление отклонения пятна.
     
      Рис. 15. Получение радиально-круговой развертки при помощи вращающихся отклоняющих катушек
     
      Отклоняющие катушки вращаются с такой же скоростью, как и антенное устройство, т. е. со скоростью примерно 20 оборотов в минуту. Частота отклонения пятна от центра к периферии равна частоте излучения импульсов — приблизительно тысяче отклонений в секунду. Следовательно, число перемещений луча от центра к краю экрана намного больше числа поворотов луча, поэтому за время поворота отклоняющих катушек на небольшой угол светлое пятно успевает много раз пробежать от центра к краю экрана. Создается впечатление, что светящийся радиус вращается по экрану. Так как экран обладает свойством послесвечения, то перемещающийся по экрану радиус оставляет за собой светящийся след.
     
     
      ОТРАЖЕНИЕ САНТИМЕТРОВЫХ
      РАДИОВОЛН ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
     
      Выше говорилось, что с уменьшением длины радиоволн до величин порядка сантиметров они по своим свойствам приближаются к световым волнам. Так же как и световые волны, сантиметровые радиоволны могут отражаться от земной поверхности рассеянно или зеркально.
     
      Рис. 16. Характер отражения сантиметровых волн различными участками земной поверхности
     
      Зеркально отражают гладкие поверхности, например водные (рис.16). В этом случае радиоволны отражаются по уже знакомому нам закону: угол падения равен углу отражения. Рассеянно отражают шероховатые поверхности: луг, пашни, промышленные сооружения, леса, кустарники и т. д. В этом случае энергия приходящих радиоволн отражается во все стороны — рассеивается, причем часть энергии отражается в направлении, откуда она пришла, т. е. к радиолокатору. Назовем эту часть обратным отражением. При зеркальном отражении оно равно нулю, за исключением случая, когда угол падения равен нулю, т. е. когда отражающая зеркально поверхность расположена под самолетом.
      Интенсивность обратного отражения от разных участков земной поверхности различна. Например, от участка земной поверхности, занятого городскими строениями, больше, чем от участка, занятого лугом или лесом. Это-то обстоятельство, как мы увидим ниже, и позволяет получить на экране радиолокатора изображение земной поверхности.
     
     
      РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗЛУЧЕННОГО
      ИМПУЛЬСА И ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА
     
      Антенное устройство излучает высокочастотные импульсы, энергия которых распространяется расходящимся фронтом в пределах угла излучения антенны.
     
      Рис. 17. Распространение излученного импульса и отраженного сигнала
     
      На рис. 17 показан процесс движения излученного импульса к земле и возвращения отраженных сигналов.
      На рис. 17,а радиоволна только что отделилась от антенны и расходящимся фронтом движется к земной поверхности.
      На рис. 17,б радиоволна распространилась от самолета на радиус, равный половине высоты полета самолета.
      На рис. 17, в излученная радиоволна частично достигла земной поверхности и началось отражение энергии.
      В то время как от точек, находящихся на наименьшей дальности (под самолетом), произошло отражение и часть энергии, отразившейся в направлении падения, возвращается к самолету, до точек с большей наклонной дальностью фронт радиоволны еще не дошел (рис.17,г,д).
      На рис. 17, в радиоволна, отразившись от участков с небольшой наклонной дальностью, уже достигла антенны и принята приемником; до участков с большой наклонной дальностью импульс еще не дошел.
      Отраженный сигнал поступает до тех пор, пока не приходит отражение от точек предельной дальности облучения. Эта дальность соответствует дальности видимого горизонта.
      Таким образом, импульс излучается в течение очень малого времени, а отражение его от земной поверхности поступает на вход приемника в течение гораздо более длительного времени. Время прихода отраженных сигналов пропорционально дальности отражающих объектов.
      На рис. 17 изображена только та часть отраженной энергии, которая возвращается к радиолокационной станции, т. е. изображены обратные отраженные сигналы. Остальная часть отраженного сигнала на рисунке не показана, потому что она антенной не принимается и в создании изображения не участвует.
      Скорость распространения электромагнитных волн очень велика — 300000 км/сек, поэтому описанный выше процесс происходит чрезвычайно быстро.
      Как уже говорилось, скорость вращения антенны равна примерно 20 об/мин. Легко подсчитать, на какой угол повернется антенна за время, в течение которого произойдет излучение и прием отраженного сигнала от объекта, удаленного, допустим, на 300 км. При подсчете окажется, что за это время антенна повернется всего на 0,24°.
      Если скорость движения самолета равна 360 км/час, то за время, необходимое для того, чтобы излученный импульс прошел расстояние от самолета до объекта, удаленного на 300 км, и обратно, самолет пройдет расстояние всего лишь 0,2 м.
     
     
      ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
     
      На рис. 18 схематически показан процесс получения изображения местности на экране индикатора.
      Антенное устройство и отклоняющие катушки связаны между собой специальной передачей, обычно электрической, и вращаются с одинаковой скоростью.
     
      Рис. 18. Получение изображения местности на экране индикатора
     
      Для создания определенной последовательности работы всех элементов радиолокатора в нем имеется специальное устройство — синхронизатор, которое управляет началом процессов в различных блоках. От синхронизатора поступают так называемые запускающие импульсы, которые служат как бы командой к началу процесса.
      С приходом запускающего импульса от синхронизатора передатчик посылает по волноводу в антенное устройство мощный импульс высокочастотной энергии. Антенное устройство излучает импульс. На рис.18 показан импульс, распространяющийся расходящимся фронтом к земной поверхности. После излучения в антенну начинают приходить отраженные сигналы сначала от точек земной поверхности, находящихся на наименьшей дальности, под самолетом, затем и от других. По волноводу отраженный сигнал попадает в приемник, который его усиливает и преобразует, в результате чего на выходе приемника появляется напряжение. Это напряжение подается на электрод, управляющий яркостью пятна на экране электроннолучевой трубки.
      После излучения импульса синхронизатор запускает генератор тока развертки и в отклоняющие катушки от генератора начинает подаваться ток развертки. Электронный луч перемещается от центра к краю экрана, а яркость пятна на экране меняется в зависимости от величины приходящего отраженного сигнала.
      На рис. 18 зафиксирован момент, когда антенна облучает берег и водную поверхность. Пока последовательно приходят отражения от участка водной поверхности, над которой летит самолет, пятно, отклоняясь по экрану, прочерчивает слабо светящуюся линию, так как водная поверхность отражает зеркально и на выходе приемника сигнал отсутствует. Как только начинают приходить отражения от участков берега, электронный луч делается интенсивным и оставляет за собой ярко светящийся след. В промежутках времени, когда приходят отражения от изображенной на рисунке группы строений, интенсивность электронного луча еще более возрастает и на экране возникает короткая яркая линия (значительно ярче точек на развертке до и после нее).
      Когда электронный луч достигает края экрана, ток в отклоняющих катушках резко уменьшается и электронный луч мгновенно возвращается к центру. Таким образом, луч прочерчивает по экрану радиус, причем яркость свечения участков этого радиуса соответствует силе отраженного сигнала, которая, в свою очередь, зависит от характера облучаемой местности. За один цикл излучения и развертки электронный луч как бы рисует на радиусе экрана полоску местности и направлении облучения. В следующий момент времени антенна поворачивается на какой-то угол и развертка идет в другом направлении, нанося на экран следующую полоску местности.
      Как уже было сказано, экран обладает свойством послесвечения. В результате за один оборот антенны на экране возникает изображение местности, облучаемой радиолокатором.
      Самолетный радиолокатор описываемого типа называют иногда самолетным радиолокатором кругового обзора. Зная, как создается изображение местности на экране, нетрудно понять, почему появилось такое название: радиолокатор, действительно, как бы обозревает местность, лежащую под самолетом, нанося на экран все то, что он «видит» в каждом из направлений облучения.
     
     
      ДАЛЬНОСТЬ ОБЗОРА МЕСТНОСТИ
     
      Земная поверхность, над которой пролетает самолет, изображается на экране радиолокатора в пределах какой-то дальности. Эту дальность называют дальностью обзора. В самолетном радиолокаторе обычно имеется возможность изменять дальность обзора местности, изображаемой на экране. Это необходимо для удобства ориентировки по изображению на экране. В некоторых случаях штурману самолета для того, чтобы определить местонахождение самолета относительно объектов земной поверхности, или, как говорят, сориентироваться относительно них, нужно иметь большую дальность обзора. При этом на экране изображается большое количество расположенных на земле ориентиров — городов, складок местности, водных поверхностей. Сравнивая изображение с картой местности, штурман определяет, что за объекты изображаются на экране, и находит, как относительно их расположен самолет. Но в случае, когда дальность обзора велика, масштаб изображения мал и некоторые детали объектов уже не воспроизводятся.
      Для того чтобы объекты изображались в большом масштабе, необходимо уменьшить дальность обзора. Крупный масштаб нужен для более точной ориентировки в пределах небольшого района, когда ориентируются уже по деталям изображаемого на экране объекта.
      Дальность обзора зависит от Того, с Какой скоростью перемещается по экрану электронный луч. Для пояснения этого обратимся к рис.18.
      После излучения высокочастотного импульса электронный луч бежит по экрану, «рисуя» местность в направлении облучения.
      Предположим, что когда электронный луч отклонился до края экрана, в антенну поступило отражение от точки Б — берега бухты. В этом случае дальность обзора равна ОБ, так как на краю экрана изображаются точки земной поверхности, находящиеся от самолета на расстоянии ОБ.
      Если бы электронный луч отклонялся медленнее, так что ко времени прихода его на край экрана пришло бы отражение от точек с большей наклонной дальностью, например от точки В, то в этом случае дальность обзора была бы равна ОВ.
      Таким образом, для уменьшения или увеличения дальности обзора нужно соответствующим образом изменить быстроту отклонения светлого пятна по экрану. Быстрее движется пятно — дальность обзора меньше. Медленнее движется пятно по экрану — дальность обзора больше.
      Скорость перемещения пятна от центра к краю экрана определяется временем прямого хода развертки (см. рис. 14). Как видно из рисунка, чем больше это время, тем медленнее пятно перемещается по экрану, и наоборот. Отсюда, для изменения дальности обзора нужно изменить режим работы генератора тока развертки — заставить его давать «зубцы» тока с большим или меньшим временем прямого хода развертки.
      В радиолокаторах кругового обзора дальность обзора может меняться в пределах от десятков до сотен километров. Для установки той или иной дальности обзора имеется переключатель «Дальность обзора» на панели управления радиолокатором.
      Переключатель имеет несколько положений, например 30, 100, 200. Цифра обозначает величину дальности обзора в километрах. При переводе переключателя из одного положения в другое меняется режим работы генератора тока развертки и он начинает вырабатывать «зубцы» тока развертки с временем прямого хода, соответствующим установленному положению переключателя.
     
      Рис. 19. Время прямого хода развертки и вид изображения на экране для различных дальностей обзора
     
      Рассчитаем, какое время прямого хода развертки необходимо для получения указанных дальностей обзора.
      Для получения дальности обзора, например 30 км, прямой ход развертки должен продолжаться в течение времени, необходимого для того, чтобы излученный импульс и отраженный сигнал успели пройти расстояние в 30 км со скоростью 300000 км/сек. Так как в пределах земной поверхности радиолокация связана с расстояниями не больше 1000 км, то единица времени—секунда для радислокационных расчетов оказывается очень большой, поэтому вместо нее берут одну миллионную долю секунды — микросекунду.
      За одну микросекунду электромагнитная волна распространяется на расстояние 300 м. Таким образом, время прямого хода развертки для дальности обзора 30 км. (...)
      На рис. 19 в масштабе показаны соотношение времен прямого хода развертки и вид изображения местности на экране при различных дальностях обзора.
     
     
      ИЗМЕРЕНИЕ ДАЛЬНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ
      И НАПРАВЛЕНИЙ НА НИХ
     
      Для измерения дальностей объектов, изображаемых на экране индикатора кругового обзора радиолокатора, используются так называемые масштабные кольца. Кольца эти создаются электрическим путем; они как бы накладываются на изображение на экране.
      Процесс получения масштабных колец показан на рис.20.
      Для создания масштабных колец в радиолокаторе имеется особое устройство — генератор масштабных импульсов. Этот генератор вырабатывает короткие положительные импульсы напряжения, которые подаются затем на электрод, управляющий яркостью пятна. В момент подачи каждого положительного импульса интенсивность электронного луча резко увеличивается и на экране, на линии развертки, возникает светлая точка. Положение этой точки определяется величиной тока развертки в отклоняющих катушках и углом поворота отклоняющих катушек.
      Предположим, что первый положительный импульс от генератора масштабных импульсов подается на управляющий электрод одновременно с появлением тока развертки. Первая светлая точка создается в центре экрана. При нарастании тока развертки генератор пошлет на управляющий электрод следующий положительный импульс и на линии развертки возникнет вторая светлая точка. Если, например, по мере отклонения пятна через каждую пятую часть радиуса экрана на управляющий электрод будут поступать положительные импульсы, то на линии развертки получится пять светлых точек.
      Если масштабные импульсы подавать в течение каждого цикла развертки и при этом вращать отклоняющие катушки, то на экране возникнут светлые масштабные кольца, дающие возможность быстро определить расстояние до объектов.
      Предположим, что импульсы, создающие масштабные кольца, следуют через отрезок времени, который необходим для того, чтобы излученный импульс прошел расстояние 5 км и, отразившись, вернулся обратно. Тогда кольца на экране будут соответствовать следующим моментам: первое от центра кольцо — времени прихода отражений с дальности 5 км, второе кольцо — времени прихода отражений с дальности 10 км и т. д. Таким образом, если изображение объекта находится на третьем кольце, то дальность объекта равна 15 км. Если изображение объекта расположено посредине между третьим и четвертым кольцами, дальность объекта равна 17,5 км.
      На панели управления радиолокатора имеется переключатель, который воздействует на генератор масштабных меток, заставляя его вырабатывать импульсы, следующие через определенные промежутки времени, например, так, чтобы промежуток между кольцами соответствовал разности дальностей 5, 10, 20 км.
      Этот переключатель переводится в то или иное положение в зависимости от установленной дальности обзора.
      Для определения направлений на объекты вокруг экрана помещают круговую шкалу. От центра экрана на нуль этой шкалы электрическим путем наносится светящаяся линия — курсовая черта.
     
      Рис. 21. Вид экрана с изображением местности, масштабными кольцами и курсовой чертой
     
      Если изображение объекта находится на этой черте, значит, объект расположен точно впереди самолета — самолет летит на него. Если изображение объекта находится справа от курсовой черты, значит, объект справа и т. д.
      Благодаря масштабным кольцам, курсовой черте и круговой шкале штурман может определить положение самолета относительно изображаемых на экране объектов.
      Вид экрана с масштабными кольцами, курсовой чертой и круговой шкалой вокруг экрана изображен на рис.21.
     
     
      ПРИМЕНЕНИЕ САМОЛЕТНОГО
      ПАНОРАМНОГО РАДИОЛОКАТОРА
     
      Для того чтобы оценить значение панорамного радиолокатора для вождения самолетов, нужно знать, в каких условиях часто приходится лететь к намеченной точке посадки.
      Представим себе темную осеннюю ночь. Низко над землей нависли тучи, и через их завесу с земли не видно ни луны, ни звезд.
      Как же находит экипаж самолета «дорогу» в ночном безбрежном воздушном океане, когда и на земле легко заблудиться? Эта задача — указать летчику «дорогу» с аэродрома взлета к удаленному иногда за тысячи километров аэродрому посадки в тяжелых условиях, когда от взлета до посадки самолет летит в облаках и за облаками, — должна решаться штурманом самолета.
      Покажем на примере, как решает штурман задачу привода самолета из одного пункта в другой.
      Предположим, необходимо пролететь с аэродрома города А на аэродром, города Б (рис.22). Еще до взлета штурман на карте прокладывает маршрут полета, намечает, через какие точки (контрольные ориентиры) на земле должен лететь самолет.
      Рис. 22. Проложенный на карте маршрут полета
      Для того чтобы не сбиться с намеченного маршрута, штурман измеряет по карте, какой путевой угол должен иметь самолет. Путевой угол — это угол между направлением меридиана и направлением маршрута полета.
      Вот самолет взлетел. Над аэродромом кругами набрал высоту и «лег» на курс, т. е. полетел в направлении проложенного маршрута.
      Теперь задача летчика состоит в том, чтобы вести самолет строго по заданному штурманом курсу — «держать курс» независимо от того, в каких условиях летит самолет. Кроме того, летчик должен следить за тем, чтобы самолет шел с заданной скоростью.
      Немного детализируем понятие о скорости самолета. Различают скорости воздушную и путевую. Воздушная скорость — это скорость самолета относительно окружающей его массы воздуха. За счет этой скорости создается так называемая подъемная сила, благодаря которой самолет держится в воздухе. Указатель скорости на приборной доске летчика указывает именно эту — воздушную — скорость.
      Вследствие воздушных течений (ветров) масса воздуха, в которой летит самолет, перемещается относительно земли, увлекая за собой и самолет. Поэтому скорость самолета относительно земли не та же, что и воздушная; ее называют путевой скоростью.
      Представление о различии понятий воздушной и путевой скорости может дать следующий пример. Допустим, что в направлении, куда смотрит наблюдатель, дует ветер со скоростью 100 км/час. В направлении на наблюдателя летит самолет. На приборной доске летчика указатель скорости показывает также скорость, равную 100 км/час. Это — воздушная скорость, и в нашем примере она равна скорости ветра. При таком соотношении величин воздушной скорости и скорости ветра самолет относительно земли не перемещается и наблюдателю кажется, что самолет висит в воздухе неподвижно. Путевая скорость самолета равна нулю.
      Таким образом, при встречном ветре путевая скорость меньше воздушной, при попутном ветре — наоборот При боковом ветре самолет сносит в сторону ветра и направления воздушной и путевой скоростей не совпадают.
      В полете, который мы рассматриваем (рис.22), ветер встречно-боковой, его направление на различных участках маршрута обозначено на рисунке стрелками. Для того чтобы самолет летел в направлении маршрута, в нашем примере штурман должен взять курс самолета меньше путевого угла, иначе самолет «снесет» с маршрута вправо.
      Путевую скорость штурман рассчитывает, исходя из имеющихся у него данных о ветре и воздушной скорости самолета. По найденному значению путевой скорости штурман делает расчет? через сколько времени самолет прибудет к намеченному контрольному ориентиру. Пусть, например, от пункта А до контрольного ориентира В расстояние равно 180 км, а путевая скорость, рассчитанная штурманом, равна 360 км/час. В этом случае время полета от пункта А до ориентира В равно расстоянию между пунктами, деленному на скорость:
      Т = 180 : 360 = 0,5 час., или 30 мин.
      Если бы штурман мог точно определить путевую скорость, то расчетное время прибытия на контрольный ориентир совпадало бы с фактическим временем прибытия. Но вследствие неизбежной неточности выдерживания курса и скорости летчиком расчеты штурмана могут отклоняться от действительных курса и скорости. Поэтому штурман должен периодически контролировать свои расчеты по фактическому местонахождению самолета. В безоблачную ясную погоду это делается легко: когда приближается время прибытия на контрольный ориентир, штурман, сличая карту с местностью, обнаруживает этот ориентир и определяет фактическое местонахождение самолета относительно ориентира. В зависимости от величины отклонения самолета от намеченного контрольного ориентира штурман вводит поправку в курс следования и в значение рассчитанной путевой скорости и делает расчеты времени прибытия на следующий контрольный ориентир. И так до конца маршрута.
      При полете за облаками или в облаках такой контроль пути исключается, так как контрольных ориентиров не видно. Вот здесь штурману и необходима «помощь» радиолокатора. По изображению на экране штурман может видеть, насколько отклонился самолет от выхода на намеченный контрольный ориентир, и внести соответствующие поправки в расчеты. Таким образом, самолетный радиолокатор кругового обзора как бы превращает полет за облаками или в облаках в полет в ясную погоду*.
      * Самолетный радиолокатор кругового обзора — не единственный радиоприбор, используемый для самолетовождения. Существуют и другие радиоустройства, облегчающие полет в сложных условиях. О них написано в брошюре Г. А. Бабая «Радио в самолетовождении» из серии научно-популярной библиотеки солдата, Воениздат, 1952 г.
     
      Как уже говорилось, изображение объектов на экране самолетного радиолокатора весьма отличается от того, что видел бы человек, сидящий в самолете. Чтобы успешно использовать показания самолетного радиолокатора, необходимо знать особенности радиолокационного изображения. Рассмотрим основные из них.
     
     
      ЗАВИСИМОСТЬ ОБРАТНОГО ОТРАЖЕНИЯ
      ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ РАДИОВОЛНЫ
      И ВИДА ПОВЕРХНОСТИ
     
      Яркость изображения объекта на экране индикатора зависит от характера обратного отражения (см. рис. 16): чем больше обратное отражение от объекта, тем ярче его изображение.
      Величина сигналов обратного отражения зависит также от свойств отражающей поверхности и от того, под каким углом падают на нее радиоволны.
      Зависимость величины обратного отражения от угла падения для шероховатой поверхности показана на рис. 23.
     
      Рис. 23. Зависимость величины обратного отражения от угла падения энергии для шероховатой поверхности
     
      Длина стрелки на рисунке характеризует величину сигнала обратного отражения. Так, в положении самолета 1, при котором угол падения равен ф1, величина обратного отражения характеризуется стрелкой OA1. В положениях самолета 2, 3, 4 сигналы обратного отражения характеризуются стрелками ОА2, ОА3, ОА4. Если соединить плавной кривой концы всех стрелок для всех направлений падения и отражения, то получится указанная на рисунке фигура в виде эллипса.
      В зависимости от степени «шероховатости» поверхности эллипс будет вытянут больше или меньше. Так, для относительно гладкой поверхности взлетно-посадочной бетонной полосы на аэродроме диаграмма обратного отражения получается значительно более вытянутой, чем, например, для вспаханного поля или места, покрытого кустарником. Для гладкой водной поверхности диаграмма направленности будет представлять собой эллипс, почти вытянутый в линию. Диаграммы обратного отражения для поверхностей с различной шероховатостью приведены на рис. 24 слева. На этом же рисунке показана зависимость величины сигнала обратного отражения от угла падения.
     
      Рис. 24. Зависимость величины обратного отражения от положения отражающих поверхностей
     
      Из рисунка видно, что самолетный радиолокатор облучает местность, имеющую крутой подъем, склон которого обращен к самолету. Предположим, что шероховатость поверхности и почва у подножья склона такие же, как и на самом склоне. Будут ли изображаться подножье склона и склон с одинаковой яркостью? Как видно из рисунка, отражение от склона значительно больше и он будет виден на экране в виде более яркой полосы.
      Если сила сигнала, отраженного от подножья склона горы, относительно мало изменяется с изменением угла падения, то сила сигнала, отраженного от стены здания или от крыши, как от поверхностей более гладких, может изменяться в очень больших пределах. Здесь наблюдается явление, похожее на рассмотренное в начале книги — блики при отражении видимого света. Светлые пятна на экране могут создаваться также от волнующейся водной поверхности, когда на радиолокатор самолета приходят отражения от гребней волн.
      Изображение города на экране — это сумма бликов от отдельных строений, плоскости стен или крыш которых обращены к радиолокатору.
      Нужно отметить, что объекты, расположенные на земной поверхности, дают на экране индикатора гораздо больше ярких пятен, чем их видят глаза человека. Это объясняется тем, что для радиолокатора среди окружающих объектов будет гораздо больше отражающих зеркально.
      Дело в том, что понятия шероховатой или гладкой поверхности надо связывать с длиной волны колебаний, падающих на эти поверхности. Если длина волны значительно больше величины неровностей поверхности, то поверхность будет отражать зеркально, т. е. для данной длины волны эта поверхность будет гладкой.
      Если на эту же поверхность направить колебания меньшей длины волны, сравнимой с величиной неровностей поверхности, то отражение будет уже рассеянное, т. е. эта же поверхность будет шероховатой.
      Так, если направить на поверхность штукатуренной стены здания электромагнитные колебания с очень малой длиной волны — световые, то от такой поверхности они. будут отражаться рассеянно, так как неровности стены значительно больше, чем длина световых волн.
      Если на эту же стену направить радиоволны, излучаемые антенной радиолокатора сантиметрового диапазона, то для них эта поверхность будет почти зеркально отражающей, так как длина волны падающих колебаний будет в этом случае больше неровностей поверхности. Таким образом, для радиолокатора, облучающего, например, крыши и стены домов, тротуары и т. д., эти объекты будут отражать радиоволны почти зеркально.
      Для того чтобы представить, как «воспринимается» радиолокатором город, нужно вообразить, что стены и крыши домов, уличные тротуары и другие поверхности выложены зеркалами.
     
     
      ОПТИЧЕСКОЕ И РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
     
      Для уяснения некоторых особенностей изображения, создающегося на экране самолетного панорамного радиолокатора, сравним процесс получения радиолокационного изображения на экране с процессом получения изображения в глазу человека, который несколько упрощенно показан на рис.25. Здесь в сильно увеличенном виде нарисован разрез глаза человека, смотрящего на дерево. Когда лучи солнца падают на дерево, поверхности листьев, ствола и веток отражают падающий на них свет. Таким образом, дерево становится источником света (отраженного).
      Поверхность листа, ствола или ветки — шероховатая, поэтому эти предметы отражают падающий свет во все стороны, но изображение дерева в глазу человека создается только теми световыми волнами, которые отражаются по направлению к наблюдателю. Поэтому из всего множества направлений, в которых происходит отражение, на рис. 25 выделены только те направления, которые идут в зрачок глаза.
      Зрачок — это круглое отверстие, через которое свет проникает внутрь глаза. Пройдя ряд прозрачных сред: роговую оболочку, хрусталик и другие, лучи света падают на сетчатку. В сетчатке оканчиваются зрительные нервы, имеющие прямое сообщение с органом высшей нервной деятельности человека — головным мозгом. Число нервных окончаний в сетчатке чрезвычайно велико — несколько десятков миллионов.
      Лучи отраженного от дерева света создают на сетчатке изображение дерева, причем каждая точка сетчатки получает соответствующее световое раздражение. Эти раздражения поступают в мозг и вызывают в нем изображение находящихся перед человеком объектов.
      Величина изображения зависит от угла, который образуют лучи, идущие от крайних точек объекта. Этот угол называется углом зрения. На сетчатке глаза дерево и карандаш, который наблюдатель держит в вытянутой руке, воспроизводятся одинаковой высоты, так как наблюдатель видит их под одним углом зрения. То, что дерево все же не кажется нам таким же, как карандаш, объясняется работой мозга, который корректирует простое физическое изображение, получающееся на сетчатке глаза, увязывая его с размерами окружающих объектов. Если бы при сравнении размеров двух предметов из поля зрения убрать окружающие их предметы, то глаз оценивал бы величину того и другого только по углу зрения.
      Как определяет глаз дальность объектов?
      В органах зрения человека нет элемента, который бы непосредственно делал это. Здесь играет роль несколько факторов: то, что человек видит двумя глазами,— так называемый стереоскопический эффект, работа мышцы хрусталика (аккомодационной мышцы) и работа мышц, вращающих глазные яблоки и устанавливающих их в положение наилучшего зрения.
      Насколько точно все эти факторы позволяют определить дальности объектов, можно судить по такому примеру: хорошо выполненная картина может создать полное впечатление глубины, хотя изображенные на ней объекты лежат в одной плоскости. Знаменитая панорама — оборона Севастополя — дает впечатление очень большой глубины, хотя действительная глубина ее несколько метров.
      Таким образом, в определении дальности зрение человека далеко не совершенно.
      Сравним восприятие объектов человеческим глазом с «восприятием» их панорамным радиолокатором.
      Для иллюстрации особенностей «зрения» панорамного радиолокатора обратимся к рис. 26. На нем зафиксирован момент облучения антенной радиолокатора водной поверхности, корабля, летящего самолета и берега. Как воспроизводятся на экране все эти объекты?
      Пусть дальность обзора, установленная на радиолокаторе, равна ОД. Это значит, что к моменту, когда электронный луч отклонится на край экрана, к антенне придет отражение от точки Д и она будет изображена на краю экрана.
      Проведем через все объекты, от которых будет обратное отражение, дуги радиусами, равными дальностям этих объектов. Спроектируем затеял объекты на горизонтальную линию ОД.
     
      Рис. 26. Построение радиолокационного изображения в одном из направлений облучения
     
      Допустим, что цикл излучения и развертки начался. Стрелками на рис. 26 показан излученный импульс, который расходящимся фронтом движется в пределах границ излучения антенны. Одновременно с излучением импульса начинается развертка и электронный луч начинает перемещаться от центра к краю экрана. Первым к радиолокатору приходит сигнал, отраженный от объектов, находящихся на наименьшей дальности. В нашем примере— это отражение от участка земли, находящегося под самолетом, затем будут поступать сигналы, отраженные от других участков земной поверхности, 48
      После того как придет сигнал, отраженный от берега 5, поступление отраженных сигналов прекратится, так как вода отражает зеркально. Через промежуток времени, пропорциональный дальности ОС, на экране появится светлая точка — изображение самолета. Через промежуток времени, пропорциональный дальности ОК, придет отраженный сигнал от корабля и на экране радиолокатора появится соответствующее изображение.
      Затем на линии развертки появится изображение точек берега В, А, Г. Эти точки находятся на одном и том же расстоянии от радиолокатора, а поэтому отраженные сигналы от всех них приходят к радиолокатору одновременно и на линии развертки они образуют светлые пятна.
      Изображение склона берега получается ярким, так как он обращен в сторону радиолокатора и поэтому является источником интенсивного отражения.
      Последней на линии развертки изображается точка Д, после чего электронный луч быстро возвращается в центр экрана и начинается следующий цикл излучения и развертки.
      Мы рассмотрели, как строится изображение объектов на экране в одном направлении облучения. То же самое мы могли бы сделать и для других направлений и получить на экране изображение части местности, находящейся в зоне облучения.
      Сверху на рис. 26 показана часть экрана индикатора панорамного радиолокатора с нанесенным на нем изображением. Как получается это изображение, показано только для одного направления линии развертки.
      На экране в центре мы видим темное круглое пятно. Это — так называемое высотное пятно. Оно образуется потому, что при одновременном начале излучения и развертки до прихода отражений от земли электронный луч, отклоняясь по экрану, не оставляет за собой светящегося следа, так как на управляющий электрод не поступает напряжение с выхода приемника. Яркая белая полоска на экране — это изображение склона берега.
      Какие же особенности можно отметить в «зрении» радиолокатора?
      Если глаз наблюдателя, находящегося на самолете, может различить направления на корабль, на самолет или направления на точки берега В, А, Г, то для панорамного радиолокатора этого различия не существует. С изображением объектов радиолокатор поступает так же, как поступили мы, спроектировав их дугами на одну линию. Расположение объектов в пространстве в разных точках вертикальной плоскости радиолокатор сводит к расположению их на одной прямой. Все, что находится в зоне облучения и может отражать, фиксируется на линии развертки согласно дальностям отражающих объектов, а где, в какой части зоны облучения находятся эти объекты, радиолокатор не указывает.
      Сравнение «зрения» панорамного радиолокатора и зрения оптического дает также рис. 27. На этом рисунке изображены в профиль два водоема одинаковой ширины. Для наблюдателя, находящегося на самолете, ширина водоема АБ определяется отрезком АВ, так как этот отрезок характеризует угол зрения при данном удалении самолета от водоема. Для радиолокатора ширина этого же водоема определяется отрезком ВБ, так как этот отрезок характеризует разность дальностей берегов водоема. Как видно из рисунка, радиолокационное «зрение» в данном случае более соответствует действительности. Ширину водоема Д1Б1 наблюдатель определяет отрезком A1B1, радиолокатор — отрезком В1Б1. В этом случае более соответствует действительности зрительное восприятие.
      Сравнив человеческое зрение и «зрение» радиолокационное, мы можем сделать вывод, что первое строится по угломерному принципу, а второе — по дальномерному. Особенности того и другого были выяснены на приведенных выше примерах.
     
     
      РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
      ПАНОРАМНОГО РАДИОЛОКАТОРА
     
      Когда на экране панорамного радиолокатора изображаются отдельные относительно небольшие хорошо отражающие объекты, такие, как корабли на море, здания, небольшие островки, то размеры изображений этих объектов получаются значительно большими, чем они должны быть согласно масштабу всего изображения. Так, например, если по масштабу экрана подсчитать, какие размеры должен иметь изображенный на экране маленький корабль, то получится площадь, в несколько раз превышающая действительную площадь корабля.
      Размеры изображений объектов увеличиваются в двух направлениях: в направлении излучения антенны — по дальности и в направлении, перпендикулярном излучению, — по азимуту. Рис. 28 поясняет, почему размеры объектов увеличиваются в азимутальном направлении. На нем показано, как создается изображение корабля.
     
      Рис. 28. Увеличение размеров изображения корабля в азимутальном направлении
     
      Темный сектор на земле — это границы, в которых излучается антенной электромагнитная энергия. На рис. 28, а зафиксирован момент, когда диаграмма направленности антенны, в которой происходит излучение, только что «находит» на корабль. Это соответствует началу создания на экране изображения корабля. На рис. 28,6 корабль находится в середине диаграммы и это соответствует Созданию середины изображений корабля. На рис. 28, в зафиксирован момент, когда диаграмма направленности «сходит» с корабля; это соответствует окончанию создания изображения корабля на экране. Изображение корабля создается все время, пока он облучается, а это определяется не только размерами корабля, но и шириной сектора облучения. Если бы длина корабля была очень мала — значительно меньше, чем ширина диаграммы направленности, обозначающей границы облучения, то все равно его размеры на экране были бы достаточно велики.
     
      Рис. 29. Увеличение размеров изображения корабля по дальности определяется длительностью излучаемого импульса
      Рис. 30. Изображения кораблей на экране сольются, так как корабли находятся в одном секторе облучения
      Рис. 31. Кварталы города будут изображаться на экране без промежутка
     
      Увеличение размеров изображений объектов по дальности объясняется тем, что импульс излучается в течение хотя и очень небольшого, но все же конечного времени. На рис. 29 показан корабль, который облучается импульсом электромагнитной энергии. Длительность импульса взята умышленно непропорционально большой. Изображение корабля в направлении радиуса экрана определяется не только размерами корабля, но и длиной импульса. Чем продолжительнее импульс, тем больше увеличиваются размеры корабля.
      Увеличением размеров изображений объектов по азимуту и дальности определяется так называемая разрешающая способность панорамного радиолокатора — то минимальное расстояние между объектами, при котором они воспроизводятся на экране отдельно, а не сливаются.
      Разрешающую способность также рассматривают в направлениях по азимуту и по дальности.
      Разрешающая способность радиолокатора по азимуту определяется шириной диаграммы направленности. На рис. 30 показан случай, когда ширина диаграммы направленности перекрывает оба корабля. При этом изображения кораблей сольются и на экране получится одно светлое пятно. На рис. 31 показаны два квартала города, которые также изобразятся как одно целое, потому что ширина улицы перекрывается диаграммой направленности.
      Разрешающая способность по дальности определяется длительностью импульса и равна примерно половине длины импульса.
      Если разность дальностей двух объектов равна половине длины импульса, то к тому моменту, когда на линии развертки закончится создание изображения одного корабля, начнет приходить отражение от другого и изображения обоих кораблей сольются (рис.32).
     
      Рис. 32. Изображения кораблей сольются, так как разность дальностей их меньше половины длины импульса
     
      От разрешающей способности зависит четкость изображения на экране подобно тому, как от толщины графита карандаша, которым рисует художник, зависит изображение мелких деталей рисунка. Если карандаш грубо очинен и может наносить только широкую линию, то мелкие детали художнику четко изобразить не удается. Остро очиненным карандашом можно будет нанести на рисунок гораздо больше деталей. То же самое и в панорамном радиолокаторе. Чем уже диаграмма направленности и меньше продолжительность импульса, тем больше деталей местности будет воспроизводиться на экране радиолокатора.
     
     
      ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
      РАДИОЛОКАТОРА КРУГОВОГО ОБЗОРА
     
      Представим себе, что панорамный радиолокатор сняли с самолета, поставили на земле и установили его антенну так, чтобы она излучала от земной поверхности в небо (рис.33).
      Рис. 33. Наземный радиолокатор кругового обзора
      В таком положении радиолокатор начнет «обозревать» небо. Отражающими объектами в этом случае будут находящиеся з воздухе самолеты.
      Радиолокатор, работающий таким образом, называется наземным радиолокатором кругового обзора.
      Если вокруг экрана радиолокатора поместить круговую шкалу с делениями, а на экране создать масштабные кольца, как это делалось в самолетном панорамном радиолокаторе, то можно будет определять направления и дальности находящихся в воздухе самолетов.
      По изображению на экране хорошо видно, сколько самолетов в воздухе и в каком направлении от радиолокатора они находятся, как говорят, на экране видна вся воздушная обстановка.
      Радиолокатор кругового обзора можно применять и на кораблях. Антенна корабельного радиолокатора кругового обзора устанавливается на возвышающейся части корабля так, чтобы обеспечить свободный обзор пространства вокруг корабля.
      На экране индикатора корабельного радиолокатора кругового обзора будут изображаться очертания берегов, надводные скалы, находящиеся неподалеку корабли. Кораблю, имеющему такой радиолокатор, в туманную погоду или ночью не грозит столкновение с другими кораблями или надводными скалами. Кроме этого, по очертаниям берегов, изображенных на экране индикатора радиолокатора корабль можно провести в гавань даже при отсутствии видимости.
      В трудных условиях арктического плавания корабельный радиолокатор кругового обзора поможет избежать столкновения с пловучими ледяными горами — айсбергами.
     
      * * *
     
      На этом мы наше знакомство с панорамным радиолокатором заканчиваем.
      Говоря об истории появления самолетного панорамного радиолокатора, можно сказать следующее: в науке делались (особенно на ранней ступени ее развития) случайные, неожиданные находки, открытия. Однако появление панорамного радиолокатора — это не случайное открытие и даже не изобретение одного человека. Этот прибор в силу его сложности представляет собой результат труда и творческих усилий многих деятелей науки и техники. Советские люди могут с гордостью отметить, что основной вклад в создание не только панорамного радиолокатора, но и других радиотехнических устройств сделан представителями нашего героического народа.
      О панорамном радиолокаторе, как и о всей радиолокации, можно сказать, что это выдающееся достижение человеческой мысли, сделавшее действительностью самую смелую фантазию. Рассказать в возможно простой и доходчивой форме об устройстве этого замечательного прибора и являлось задачей этой брошюры.