В первых РУС-2 использовались отдельные приемная и передающая антенны. Станция располагалась на двух автомашинах – соответственно, для приемника и передатчика. Антенны жестко закреплялись на кабинах. Обзор пространства обеспечивался синхронным вращением кабин. Было произведено 12 таких станций. А далее стали выпускаться станции РУС-2с, в которых использовалась одна антенна на прием и передачу. Обзор пространства производился вращением антенны, а кабина была неподвижной.
США и Англия к началу Второй мировой войны уже обладали развитым парком радиолокационных станций: наземных, корабельных, самолетных. Наиболее удачной наземной РЛС обнаружения была станция SCR 268, разработанная в США. В этой РЛС использовались три отдельные антенны для передатчика, приемника азимутального канала и приемника угломестного канала, размещенных на одной станине.
3. Радиолокационное обнаружение
В любую радиолокационную систему входят три обязательных узла: передатчик, приемник и индикаторное устройство.
Передатчик формирует высокочастотное колебание, которое через передающую антенну излучается в пространство. Если на пути излученной электромагнитной волны окажется какой-либо объект (цель), то электромагнитная волна будет рассеиваться (отражаться) им по всем направлениям. Малая часть этой рассеянной волны попадет на приемную антенну и преобразуется приемником в электрический сигнал. В этом сигнале содержится информация об отражающем объекте. Задача индикатора – представить эту информацию в удобной форме.
Работа по радиообнаружению целей началась в начале 30-х годов практически одновременно в странах с развитой радиопромышленностью – США, СССР, Германии, Англии, Франции и Японии. Первые системы радиообнаружения использовали непрерывное излучение электромагнитного колебания. Во многом это определялось требованиями технической реализации. Все, что нужно для непрерывной системы радиообнаружения, уже было разработано для систем радиосвязи: передатчики непрерывных колебаний, высокочувствительные сверхрегенеративные приемники, стрелочные и звуковые индикаторы. А импульсные передатчики, так же как и усилители радиоимпульсов, требовалось еще разрабатывать.
Принцип построения системы напрашивался сам собой: использование интерференции прямого сигнала, излученного передатчиком, и сигнала, отраженного от цели.
Радиоприемник располагался на расстоянии в десятки километров от передатчика и принимал его сигнал. Если в зону излучения передатчика попадал самолет, то сигнал, отраженный от него, тоже принимался приемником. Самолет обнаруживался по интерференции прямого и отраженного сигналов. Использование в приемнике направленной антенны позволяло определять направление на цель.
На этом принципе была разработана радиолокационная система “Ревень”. Система состояла из передающей и двух приемных станций, смонтированных на автомашинах. Приемные станции располагались на расстоянии 30 – 40 км по разные стороны от передающей станции. В сентябре 1939 г. система “Ревень” под названием РУС-1 (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение войск ПВО. Планировалось создать заградительную зону из этих станций – “электромагнитную завесу”, при пересечении которой самолеты обнаруживались бы по биениям прямого и отраженного сигналов. Биения регистрировались на бумажной ленте.
До июня 1941 г. было выпущено 45 комплектов этой системы. Зимой 1939 – 1940 гг., во время войны с белофинами система РУС-1 прошла боевую проверку. Однако система не оправдала возлагавшихся на нее надежд, она не могла заблаговременно оповещать службу ПВО Ленинграда как фронтового города о самолетах противника. В апреле 1940 г. станции РУС-1 с постов наблюдения на Карельском перешейке были переброшены для дальнейшего использования в Закавказье. Производство РУС-1 было прекращено, когда на вооружение была принята импульсная РЛС РУС-2.
В импульсных РЛС излучаются короткие импульсы. Излученные и отраженные от цели импульсы разнесены по времени и интерференция между ними невозможна. Обнаружение сигнала в импульсных РЛС производится по величине напряжения на выходе приемника. Если напряжение превышает уровень шумов приемника, то выносится решение об обнаружении сигнала.
4. Импульсная радиолокация
Почему же отказались от непрерывной радиолокации и отдали предпочтение импульсной? Главной проблемой непрерывной радиолокации оказалось измерение дальности. Непрерывное излучение позволяет установить наличие отражающего объекта в облучаемой зоне, определить направление на объект, но измерить дальность до объекта было трудно.
Казалось бы, можно определить расстояние по интенсивности принятого сигнала – чем дальше объект, тем слабее сигнал, но на самом деле интенсивность сигнала зависит не только от дальности, но и от величины и формы отражающего объекта, его ориентации, и на практике подобный метод измерения дальности не применяется. Можно использовать триангуляционные методы, применяющиеся в геодезии, когда расстояние определяется расчетом по известному расположению двух точек и по направлениям из каждой точки на объект (сравните: пеленгационный метод определения местоположения в радионавигации). Но для реализации такого измерения потребуется два приемника и точное измерение угловых координат, а также время для проведения расчетов.
Правда, уже был запатентован метод измерения дальности при непрерывном излучении есть, предполагающий излучение радиоволн с изменяющейся частотой, то есть частотно модулированных радиоволн. Об этом подробнее мы поговорим далее, а сейчас только отметим, что этот метод легко реализуется, если отражающий объект только один. А для радиолокации типовой является ситуация, когда отражающих объектов много, и для каждого нужно определить его координаты. В этой ситуации вне конкуренции оказался импульсный метод радиолокации, когда импульсы, отраженные от многих целей, разнесены по задержке и легко разделяются.
Еще один недостаток непрерывной радиолокации – необходимость разнесения на большое расстояние передатчика и приемника. Энергия излучаемой передатчиком электромагнитной волны должна быть очень большой, так как только незначительная часть ее возвращается от обнаруживаемого объекта к приемнику. Если мощный передатчик работает по соседству с высокочувствительным приемником, который должен реагировать на ничтожное количество отраженной энергии, то нужно принимать специальные меры защиты приемника от прямого попадания энергии, излучаемой передатчиком. В непрерывной радиолокации защита приемника обеспечивалась разнесением передатчика и приемника на большое расстояние.
В импульсной радиолокации работа передатчика и приемника разнесена по времени: когда излучается радиоимпульс, приемник закрыт; а когда принимается импульс, отраженный от цели, передатчик не работает. Поэтому приемник и передатчик могут находиться в одном месте. И кроме того, можно использовать одну антенну, работающую и на прием, и на передачу. Это значительно упрощает конструкцию РЛС. Для защиты приемника на время работы передатчика были разработаны специальные разрядники-переключатели “прием-передача”, закорачивающие вход приемника на время излучения радиоимпульса.
Но непрерывное излучение имеет и несомненное достоинство – оно позволяет измерять скорость объекта. Как известно, частота отраженного от движущегося объекта колебания fотр будет отличаться от частоты облучающего колебания fo на величину частоты Доплера Fд: fотр =fo + Fд, где Fд = 2Vfo/c. Конечно, доплеровский сдвиг частоты небольшой (например, при длине волны 3м и скорости объекта 360 км/ч доплеровский сдвиг составит всего 33 Гц), но его можно выделить узкополосным фильтром и измерить. Однако на заре радиолокации об измерении скорости еще не думали. В настоящее время разработаны импульсные РЛС малой скважности, которые позволяют измерять дальность до цели по задержке импульсного сигнала и скорость по доплеровскому сдвигу частоты.
5. Измерение угловых координат цели
Итак, перед первыми разработчиками систем радиообнаружения самолетов стояли, главным образом две задачи: обнаружить цель и запеленговать ее, то есть определить направление на цель.
Мы уже познакомились с методами определения направления при изучении истории радионавигации. Таких методов три: по минимуму принимаемого сигнала, по максимуму принимаемого сигнала и по равносигнальной зоне. В радионавигации используются первый и последний методы, как наиболее точные. В радиолокации – второй и третий, так как отраженный от цели сигнал очень слабый, и прием сигнала возможен только, когда антенна направлена на цель. Кроме того, в радиолокации используются антенны с узкими диаграммами направленности, а для таких антенн определение направления по максимуму сигнала становится уже достаточно точным.
Для пеленгации в принципе не важно, каким будет излучение – непрерывным или импульсным – все определяется формой диаграммы направленности антенны. В первых радиолокационных станциях, таких как РУС-2 (СССР) и SCR-268 (США) поиск цели осуществлялся вручную. Оператор РЛС поворачивал антенную систему (естественно, с помощью двигателей), добивался максимума отраженного от цели сигнала и считывал угол с лимба, связанного электромеханической системой с осью антенны.
