НЕВИДИМОЕ СТАНОВИТСЯ ЗРИМЫМ
Одной из главных функций военной авиации была и остается разведка. Во время Второй мировой войны пилоты могли рассчитывать лишь на собственные глаза да на фотокамеры, установленные на самолете. Ныне разведку ведут, используя мониторинговые радиоэлектронные системы. Эти системы перспективны и в хозяйственных областях.
Средства авионики регистрируют как собственное излучение наблюдаемого объекта от работающих на нем радиосредств или источников тепла, так и электромагнитные волны, которые отражаются от него при облучении радаром, расположенным непосредственно на самолете-разведчике. Сейчас все чаще, и не только в военной области, прибегают к радиолокационной разведке "с подсвечиванием". Объекты на земле или в воздушном пространстве облучают внешними источниками, а отраженный сигнал регистрируется антенной самолета-разведчика, работающей на прием.
Но самое главное состоит даже не в том, чтобы обнаружить объект, а в том, чтобы идентифицировать его, то есть ответить на вопрос: "Что же мы, собственно, наблюдаем?" Это одна из самых сложных задач, стоящих перед системами авионики. Чтобы решить ее, нельзя обойтись без самых современных средств вычислительной техники. Разработчики авионики используют и достижения радиофизики - области науки, основателем которой во всем мире по праву считается член-корреспондент АН СССР Сергей Михайлович Рытов. Распознать объект удается благодаря тому, что механизмы рассеяния и поглощения посылаемых в его сторону радиоволн тесно связаны с физическими и геометрическими характеристиками объекта. Дополнительную информацию можно получить по характеру его собственного излучения.
Например, металлические предметы практически целиком отражают падающие на них волны. Степень же поглощения волны веществом зависит от его диэлектрической и магнитной проницаемости.
В мониторинговой авионике стремятся использовать чрезвычайно широкий частотный спектр электромагнитных волн - с длинами от долей миллиметра до сотен метров. Это связано с тем, что изображение на дисплее зависит от длины волны, на которой работает радиолокатор: насколько сильно отражает или поглощает объект падающее на него электромагнитное излучение определяется, прежде всего, длиной волны, а также размерами самого объекта и различными неоднородностями физических и геометрических характеристик. Например, самолеты, выполненные по технологии "стелс", имеют такой филигранно подобранный набор геометрических форм и электрофизических свойств поверхности, что для определенного, "освоенного" противником диапазона волн отраженный сигнал попросту отсутствует. В более длинноволновой или более высокочастотной области эти "невидимки" обнаруживаются.
Сегодня, как правило, радиолокатор формирует и обрабатывает сигналы в нескольких частотных диапазонах. Если эти диапазоны значительно разнесены друг от друга, то на соответствующих изображениях мы обнаружим разные детали объекта. То же самое, кстати, будет, если сравнить картины звездного неба, полученные с помощью оптического телескопа и радиотелескопа.
В начале эры радиолокации разработчики делали ставку на волны УВЧ- и СВЧ-диапазонов, то есть пытались "разглядеть" возможно более мелкие предметы: объект отражал волну, если его размеры были больше длины волны или сопоставимы с ней. Однако впоследствии оказалось, что не так просто обнаружить, например, колонны военной техники, если они движутся по дороге, обсаженной деревьями: листва как покрывало отражала сантиметровые волны, пряча под собой корпуса танков и бронетранспортеров. А ракетную шахту можно было замаскировать обычным стогом сена.
Теперь радиолокаторы все чаще "осваивают" низкочастотный диапазон, волны которого проникают даже сквозь почву и позволяют обнаружить закопанные и укрытые объекты. Примером может служить четырехчастотный радиолокационный комплекс "Имарк", за создание которого его авторы - сотрудники Московского научно-исследовательского института приборостроения - получили в 2000 году Государственную премию РФ. Этот радиолокатор формирует и обрабатывает сигналы на длинах волн 3,9; 23; 68 и 254 см. Так вот, на самой длинной волне - 2,54 м - комплекс "видит" скопления грунтовых вод, различные геологические структуры, в том числе и алмазные трубки. Сигналы этих частот проникают и под лед, а при работе на волне 3,9 см от радара в чистом поле не укроется даже заяц.
Если же облучать объект последовательно или сразу волнами нескольких диапазонов, то можно, с одной стороны, выявить его структуру, а с другой - "устранить" препятствия, мешающие наблюдению: растительность, земной и водный покров, туман и облака.
Несколько лет назад на нефтепроводе в Республике Коми произошла авария, но стояла зима, и разлившуюся нефть тут же засыпало снегом. Дожидаться весны - нефть пропитает почву и погубит все живое. На поиск места аварии вылетел самолет с многочастотным радаром и точно обнаружил скрытые границы пятна.
Ныне в авионике стали использовать прежде экзотические сверхширокополосные сигналы, занимающие полосу частот в несколько гигагерц, - в результате можно сформировать еще более детальную картину. Кроме того, сверхширокополосные сигналы крайне трудно обнаружить, поэтому, используя их, можно скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт ее передачи.
"ГЛАЗА" САМОЛЕТА
Если нам нужно взглянуть в сторону, мы либо поворачиваем голову, либо переводим взгляд. Примерно таким же образом можно осуществлять радиолокацию. Правда, когда речь заходит о радаре, мы, как правило, представляем себе вращающееся или качающееся сооружение, которое состоит из излучателя и отражателя (зеркальной антенны).
Однако еще в 1937 году американские исследователи Г. Фрис и К. Фельдман выдвинули идею так называемой управляемой антенной решетки. Принцип действия этого устройства основан на положении, сформулированном в 1933 году российским ученым В. А. Котельниковым в виде теоремы, получившей его имя. Он доказал, что практически любой сигнал можно восстановить, имея ряд его мгновенных значений, взятых через равные промежутки времени (эквидистантных отсчетов). Причем интервал между отсчетами должен быть меньше полупериода высшей гармоники сигнала.
Антенная решетка представляет собой размещенную в плоскости совокупность отстоящих на одинаковом расстоянии друг от друга небольших излучателей (модулей). Иначе говоря, их можно, согласно теории Котельникова, принять за отсчетчики, если расстояния между ними не превышают половины излучаемой или принимаемой антенной решеткой длины волны. С помощью фазовращателей можно так подобрать фазу излучения каждого модуля, что решетка в целом станет излучать острый луч, причем такой же, как излучала бы зеркальная антенна, размер которой равен всей антенной решетке - от первого модуля до последнего. По этому лучу никак нельзя заметить, что антенна "дырявая", то есть что в ней есть просветы между модулями.
Более того, согласованно меняя фазы модулей, можно заставить луч отклоняться, и при механически неподвижной решетке будет происходить сканирование пространства - совсем как мы, не поворачивая головы, глазами просматриваем страницу книги.
Такой решеткой можно формировать и несколько лучей, причем каждый со своей динамикой. В результате получается многолучевая антенная решетка - такими сегодня оснащаются современные истребители.
Хотя принцип работы антенной решетки не выглядит сложным, на практике радиоинженерам пришлось преодолеть огромные трудности. Так, потребовались малогабаритные, не вносящие потерь и потребляющие малую мощность фазовращатели. До появления быстродей ствующих компьютеров не менее трудно было управлять изменением фазы. Лишь на основе достижений микроэлектроники удалось построить коммутаторы, справляющиеся с этой задачей.
Дальнейшие успехи микроэлектроники предоставили в распоряжение конструкторов малогабаритные твердотельные (то есть построенные по принципу интегральных схем) передатчики и приемники, которые прямо напрашивались на роль антенных модулей. Так появились активные фазированные антенные решетки (АФАР) с модулями, усиливающими излучаемый и принимаемый сигналы (на фото справа). В целом передатчик радара, как наиболее энергетически емкое устройство авионики, оказался "размазанным" по антенной решетке и стал одним из самых надежных элементов: при поломках нескольких твердотельных модулей существенного снижения характеристик не происходит (прежде у радаров с пассивной решеткой, если передатчик выходил из строя, самолет становился "слепым").
Первый в мире радиолокатор с АФАР для истребителей построен в нашей стране в корпорации "Фазотрон - НИИР" под руководством профессора А. И. Канащенкова, причем в достаточно сложное для оборонной промышленности время.
ОСТРОТА ЗРЕНИЯ РАДАРА
Способность видеть предметы зависит не только от длины отражаемой ими электромагнитной волны. Иначе мы могли бы разглядеть любые микроорганизмы в световых лучах, длина волны которых меньше микрометра. Нам же для этого требуется микроскоп, поскольку разрешающая способность человеческого глаза ограничена.
Четкость изображения, получаемого с помощью антенной решетки (а в принципе и любой антенны), зависит от ее размеров и определяется параметром, называемым раскрывом антенны или апертурой. Угловая разрешающая способность (рад-1) приблизительно равна отношению длины излучаемой и (или) принимаемой волны к апертуре антенны. Следовательно, чем крупнее антенна и чем меньше длина волны, тем более четким получается изображение.
Чтобы увеличить апертуру антенной решетки и таким образом повысить остроту зрения радара, в первую очередь приходит мысль разнести модули по фюзеляжу самолета. Появились авиационные радары с вдольфюзеляжной антенной. Затем "в ход пошли" крылья, причем управлять фазами сигналов отдельных модулей стало сложнее: антенная решетка представляет собой плоскость, а форма самолета очень сложная. Приходилось учитывать смещение каждого модуля от плоскости и соответственно подбирать для него фазу.
И все же, как ни крути, размеры, скажем, истребителя в длину и в ширину не превышают десятка метров. Значит, достигнут предел?
Выход был найден в реализации идеи синтезированной апертуры, высказанной в 1959 году А. П. Реутовым, ныне - член-корреспондент РАН, и профессором Г. С. Кондратенковым. В обычной антенной решетке сигналы отдельных модулей суммируются (с учетом фаз) по правилам сложения векторов. Но в принципе нет разницы, снимаются ли сигналы со всех модулей одновременно или последовательно во времени с одного из них, при условии, правда, что этот модуль движется. От начала до окончания интервала синтезирования самолет может пролететь сотни метров - и такой же будет виртуальная апертура антенны. Следовательно, и разрешающая способность радара окажется высокой.
Для сравнения ниже приведены данные о разрешающей способности различных радиоэлектронных и оптических систем, а также человеческого глаза (в рад-1):
Панорамные авиационные радары - 10-50.
Авиационные радары с вдольфюзеляжной антенной - 200-300.
Человеческий глаз - 5x103.
Радары с синтезированной апертурой - 103-105.
Оптические системы - 104-106.
Самое главное - точно знать положение модулей решетки в каждый момент времени. Но это и труднее всего реализовать, поскольку нужно учитывать даже вибрации корпуса самолета.
В результате радиолокационное изображение Земли не выглядит отдельными точками и пятнами на экране локатора, а приобретает характер фотографии. Такое направление в авиационной радиолокации стали называть радиовидением. Упомянутый выше радиолокационный комплекс "Имарк" осуществляет синтезирование апертуры во всех четырех частотных диапазонах.
К слову, метод синтезирования апертуры весьма перспективен для наблюдения из космоса: траектория искусственных спутников Земли очень стабильна, а длина виртуальной апертуры может достигать десятков и сотен километров.
Но, как следует из вышесказанного, с помощью решеток с синтезированной апертурой можно получить образы только неподвижных предметов: движущиеся объекты окажутся смещенными. Например, на синтезированном радиолокационном изображении движущиеся автомобили будут находиться не на шоссе, а где-то в стороне от него. Понятно, что, если для наведения огневых средств на движущиеся объекты используется синтезированное радиолокационное изображение, этот фактор необходимо специально учитывать.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОНИТОРИНГОВОЙ АВИОНИКИ
В условиях боевых действий:
обнаружение различных военных целей (в том числе и укрытых);
предотвращение военных и террористических акций;
обнаружение складов оружия, минных полей, военных лагерей, новых троп и дорог.
В условиях чрезвычайных ситуаций:
оценка последствий паводков, прибрежных штормов, сезонных дождей и таяния снегов;
определение границ ареалов, пораженных болезнями, нашествием насекомых и грызунов, кислотными дождями, пожарами, засухами, наводнениями;
обнаружение коронных разрядов на ЛЭП, аварий на подземных нефте-, газо- и водопроводах и канализационных сетях;
поиск мелких объектов в районах катастроф: катеров, шлюпок, обломков и т.д.;
оценка морского волнения, силы и направления ветра при выполнении аварийно-спасательных работ на море;
оценка загрязнения акваторий нефтяной пленкой толщиной от нескольких микрометров;
обнаружение в Арктике терпящих бедствие людей, укрывшихся под толщей снега или под торосами;
обнаружение утечек нефти из трубопроводов.
Для научных целей:
проведение гидрологических и гляциологических наблюдений, оценка влажности почв, снежного покрова, состояния айсбергов, ледников, вечной мерзлоты;
картография морских льдов и оценка эволюции льдин;
дистанционная археология (обнаружение районов поселений древних культур и ведущих туда бывших транспортных путей);
контроль за популяциями вымирающих видов флоры и фауны;
проведение топографических и литологических измерений;
оценка динамики земной коры;
оценка активности вулканов и последствий вулканической деятельности, включая течения лавы и грязевых потоков;
оценка сейсмической активности и прогнозирование зон разломов;
картография суши и морской поверхности.
Для хозяйственных целей:
оценка характеристик окружающей среды (от регионального масштаба до глобального);
точное картографирование дорог;
определение наличия наземных и подземных биомасс;
обнаружение нелегальных дорог в горных и лесных районах и заповедниках, выявление незаконных промыслов;
описание лесных, сельскохозяйственных и рыболовных экосистем;
классификация и оценка состояния почв, болот, озер;
прогнозирование урожаев;
оценка состояния экосистем полярных районов;
определение состояния лесных экосистем;
обнаружение легальных и нелегальных лесных вырубок;
обнаружение предвестников землетрясений;
определение зон подтопления в районах водохранилищ;
определение зон засоления при обмелении водоемов и эксплуатации мелиоративных сооружений;
оценка экологического состояния открытых разработок полезных ископаемых;
обнаружение объектов и сооружений, скрытых густой растительностью или заглубленных в грунт;
оценка геоэкологических процессов, связанных с распространением загрязненных почвенных вод;
выявление скрытого процесса подпочвенного подтопления хозяйственных земель.
