Виктор Млечин - На передних рубежах радиолокации Страница 23

Модернизацию станции, как я уже сказал, вели во всех возможных направлениях. На следующем этапе испытаний, осенью, зарядили дожди, условия ухудшились: порой сплошная пелена закрывала картинку, отметки, только что просматриваемые, заплывали и переставали различаться. Вспомнили о структуре дождя при радиооблучении. Капля при слабом дожде могла быть представлена в виде сферы, а облучение такой идеальной сферы, заполненной водой, на радиочастотах изучалось ещё в начале ХХ века, вскоре после изобретения радио. Если говорить о радиолокационном обратном рассеянии, его величина зависит от отношения длины окружности сферы к длине волны. Различают три области: низкочастотная или релеевская, где длина окружности сферы меньше длины волны, резонансная или область Ми, где указанное отношение лежит между 1 и 10, и оптическая область (>10). Мы работали в основном в области, которую называли областью Ми, по имени немецкой учёной G. Mie, которая впервые провела анализ рассеяния атмосферы[9]. Из-за интерференции волн указанная выше зависимость имеет в этой области характер затухающего колебательного процесса. Рассеяние идеально проводящей сферы изотропно, т. е. не зависит от угла облучения и стремится (на высоких частотах) к площади проекции сферы. Однако наиболее важно то, что сфера является изотропной и в поляризационном смысле, что означает отсутствие деполяризации при отражении. Например, при облучении сферических капель дождя волной с круговой поляризацией отраженная волна будет также иметь круговую поляризацию, при этом она приобретает для антенны обратное направление вращения.

Эти факты послужили для Е. Н. Майзельса толчком к проведению большой экспериментальной работы по измерению диаграмм рассеяния тел вращения, а затем и тел произвольной формы (конечных размеров). Примерно в те же годы в связи с запросами разработчиков РЛС крупный специалист в области электродинамики Л. А. Вайнштейн принял решение открыть серию работ по теории дифракции на телах сложной формы. Эта работа в дальнейшем была поручена тогда молодому инженеру, а впоследствии соавтору технологии Стелс П. Я. Уфимцеву. Он проводил расчёты на выпуклых металлических телах, поверхность которых имеет изломы (рёбра), а размеры – превышающими длину волны.

Свои эксперименты Е. Н. Майзельс имел возможность проводить при различных поляризациях облучающей волны, в связи с чем у него накапливались обширные экспериментальные материалы не только по отражениям от различных объектов, но и по поляризационной их структуре. Вопросы деполяризации отражённых сигналов изучал и П. Я. Уфимцев.

Выводы из своих экспериментов Е. Н. Майзельс неоднократно обсуждал с Г. Я. Гуськовым, в результате чего было принято решение о новых технических подходах к проектированию антенной системы и о доработке станции «Лес». Всё это позволило существенно повысить энергетический потенциал станции и вложиться в технические нормы, оговорённые заказчиком, а в некоторых случаях даже их превзойти. Новаторский подход к возникшим проблемам и принятые решения уверенно продвигали станцию «Лес» к успешному финалу. Суть проведённых тогда нововведений состояла в следующем.

Выше было сказано, что при отражении волны от идеально проводящей сферы деполяризация отсутствует (о поляризации см. гл. 7). Следовательно, при облучении сферических капель дождя волнами круговой поляризации, скажем, с правым вращением, отражённая волна также будет иметь круговую поляризацию с правым вращением, при этом относительно антенны как источника первичного излучения направления вращения отраженной и падающей волн оказываются противоположными. Вместе с тем известно, что антенны РЛС удовлетворяют принципу взаимности и в поляризационном смысле, т. е. антенна принимает волну той же поляризации, что и излучаемая волна. Поэтому волна, отражённая от сферической капли дождя, в идеальном случае в приёмник РЛС не попадает. Степень отклонения капли дождя от сферической формы определяется интенсивностью осадков[10]. В реальных условиях вместо круговой поляризации принимается эллиптически-поляризованная волна, а ослабление отражений от дождя в антенне, зависящее от параметров эллиптичности волны, лежит в пределах 15–30 дб.

Как же Е. Н. Майзельс решил задачи преобразования линейно-поляризованной волны специализированной антенны в волну с круговой поляризацией?

Он установил в раскрыве антенны поляризационную решетку. Решетка состоит из набора параллельных металлических пластин, а вектор поля исходной линейно-поляризованной волны расположен под углом 45° к набору пластин. Раскладывая вектор поля на две ортогональные составляющие, отметим, что составляющая, нормальная к пластинам, проходит практически без изменений, а составляющая, параллельная пластинам, опережает по фазе другую составляющую за счёт увеличенной фазовой скорости в образовавшемся волноводе. Подбором ширины пластин при соответствующем расстоянии между пластинами добиваются 90° сдвига фаз, что и создаёт на выходе решетки поле круговой поляризации. Вводя диэлектрические вставки между пластинами, расширяют диапазонность поляризационной решетки.

Проведённые Е. Н. Майзельсом доработки кажутся сейчас очевидными, но тогда, почти 60 лет назад, тщательная и кропотливая исследовательская работа, выполненная Е. Н. Майзельсом, являлась по существу новаторской. Важно то, что экспериментальные результаты были подтверждены теорией. Совместная статья Е. Н. Майзельса и П. Я. Уфимцева, опубликованная позднее[11], свидетельствовала о том, что измеренная и теоретическая диаграммы рассеяния, полученные на модели с характеристикой ka = 5 (k = 2π/λ, где λ – длина волны, а – радиус модели), достаточно близки друг к другу.

Выше мы говорили о том, что в станции «Лес» впервые в мировой практике в начале 50-х годов 20 века были воплощены в жизнь технические средства борьбы с отражениями от гидрометеоров. А как при этом решалась основная задача РЛС по засечке отметок от полезных целей? Здесь следует остановиться на теоретической и экспериментальной стороне дела. Сначала о теории. Как показал П. Я. Уфимцев в своей книге[12], на каждом элементе освещённой поверхности идеально проводящего тела, на которое падает плоская электромагнитная волна, возбуждается такой же ток, как на касательной к этому элементу идеально проводящей плоскости бесконечных размеров. Рассеянное поле, создаваемое таким током, определяется с помощью уравнений Максвелла. Сам возбуждаемый на плоскости ток распределён на ней равномерно и поэтому может быть отнесён к «равномерной» части поверхностного тока. Кроме «равномерной» составляющей в суммарный ток входит компонента, обусловленная искривлением поверхности тела. Дополнительный ток, вызванный искривлением, по терминологии П. Я. Уфимцева является «неравномерной» частью суммарного тока. «Неравномерная» компонента тока возникает вблизи границы между освещённой и теневой частями поверхности тела, а также вблизи краёв, изломов, острий и т. д. Если размеры тела существенно превышают длину волны, дополнительные токи обычно занимают сравнительно небольшую часть его поверхности. При облучении тел волнами круговой поляризации именно неравномерная составляющая рассеянного поля подавляется поляризатором наиболее сильно. Уфимцев доказывает, что деполяризация отражённого сигнала вызвана только неравномерной частью тока. Что касается «равномерной» части поля, то она также ослабляется поляризатором, но существенно меньше (6–8 дб). Экспериментально показывается, что общий выигрыш в наблюдаемости полезных целей на фоне дождя имеет порядок 15–18 дб.

Доработанные станции «Лес» проходили испытания в 1953 г. Выбирались различные позиции для оценки возможностей и основных показателей работы станций. Станции действовали в открытой местности, поросшей кустарником, залесенной, где в качестве целей использовались одиночные автомашины или колонны грузовиков, на берегу крупных водоёмов при работе по морским целям. Для съёма координат объектов одновременно работали две станции, в головной находился Гуськов и команда, на станции-дублёре в качестве оператора работал я. Кроме того, применялись оптические средства наведения (теодолиты).

Станции уверенно засекали движущие цели в радиусе прямой видимости, особенно впечатляла возможность различения отметок от автомашин, движущихся колонной. Если дорога позволяла и машины могли передвигаться «фронтом», определялся угол разрешения. Нужно сказать, что понятие «высокое разрешение целей» мы тогда почувствовали на практике. Система дальнометрии также показала все свои качества. Когда машины двигались с интервалом 7–8 м, а отметки от них различались на экране индикатора, точность определения дальности отдельных машин определялась единицами метров. Угловая точность во много зависела от натренированности операторов. Опытный оператор был способен засечь цель с точностью до 5′. При работе станции на берегу озера или моря нередкими были случаи обнаружения морских целей далеко за пределами прямой видимости, что, по-видимому, было связано с явлением рефракции радиоволн.