Виктор Млечин - На передних рубежах радиолокации

Существует ли теория изобретательства? Если теорию понимать как систему научных знаний, дающую целостное представление о закономерностях изобретательства и отношениях его с действительностью, то не существует. Что же имеется? На основе сочетания логики, интуиции и опыта разработана тактика движения, шаг за шагом, от постановки задачи до её технического решения. Выбранная тактика продвижения к цели, а её называют иногда алгоритмом изобретательства, может уменьшить число возможных переборов вариантов, облегчить поиск, установить направление переходов, но обеспечить с вероятностью единица получение желаемого результата, конечно, не может. Вместе с тем выработку неких общих принципов рассмотрения и подходов к решению изобретательских задач следует признать делом, заслуживающим внимания. Как представляют себе авторы построение алгоритма решения изобретательских задач? Прежде всего, он начинается с постановки задачи, затем следует определить идеальный конечный результат, Важнейшей частью алгоритма является выявление технического противоречия между получением требуемого результата и сохранением другого существенного свойства системы. Анализ технического противоречия и варианты его устранения должны приблизить изобретателя к желаемому результату.

Итак, нужно правильно поставить задачу. Нельзя сужать задачу, обеспечив достаточно общую её постановку, например, путём формулировки аналогичных задач в других отраслях техники.

При определении идеального конечного результата изобретатель мысленно строит ряд моделей, из которых выбирает ту, которая обладает идеальными свойствами, улучшающими объект, но предельно упрощённая. При этом изобретатель исключает из рассмотрения возможности и пути достижения идеального конечного результата.

Опытные изобретатели говорят: вы не станете изобретателем, если не научитесь отчётливо видеть противоречия в вещах. Техническое противоречие толкуется в понятиях диалектической логики как взаимодействие противоположных сторон предметов и явлений, находящихся во внутреннем единстве и выступающих источником движения и развития. Изобретатель ищет противоположные свойства, тем самым выявляет техническое противоречие. Выигрывая в одном, он, возможно, проигрывает в другом, менее существенном. Но в целом предлагаемое решение устраняет техническое противоречие, что предопределяет движение в правильном направлении, т. е. в направлении технического прогресса.

Попробуем найти технические противоречия и способы их устранения в области радиолокационной практики. Начнём с недавних (по историческим меркам) примеров. Всего 50–55 лет назад для увеличения точности и разрешающей способности (РС) по дальности использовалось укорочение (уменьшение длительности) излучаемых СВЧ-импульсов. Других реализуемых путей тогда не было видно и, чтобы, скажем, получить точность и РС по дальности порядка единиц метров в сантиметровом диапазоне волн приходилось формировать импульсы длительностью в сотые доли мксек. Но при этом необходимо было обеспечить требуемую дальность до цели, а это означает, что одновременно с уменьшением длительности импульса должна возрастать пиковая мощность излучающего генератора. И здесь мы подходим к проблеме предельных возможностей в достижении пиковых мощностей СВЧ-источников излучения. Более того, трудности усугубляются с укорочением длины волны РЛС. Наряду с необходимостью обеспечения требуемых пиковых мощностей СВЧ-генераторов возникает опасность электрических пробоев в подводящих энергию фидерных линиях (волноводах). Мы со всеми этими проблемами постоянно сталкивались, но особого напряжения они достигли, когда мы подошли к нижней границе миллиметрового диапазона (работа «СПРУТ»).

Итак, для увеличения дальности РЛС необходимо расширение длительности излучаемых импульсов, а для повышения точности и разрешающей способности по дальности – уменьшение этой длительности. Налицо техническое противоречие. Как разрешить это противоречие? Предложение состояло в том, чтобы увеличить ширину спектра импульсного сигнала по сравнению с простой импульсной последовательностью. Сделать это можно путём частотной или фазовой модуляции, а также путём фазовой или частотной манипуляции, причём в пределах самих импульсов. В результате таких действий произведение ширины спектра и длительности импульса N = ∆ fT , в отличие от простых импульсов, становится существенно больше единицы.

Однако не всякое расширение спектра приводит к желаемой цели. Необходима такая модуляция зондирующих импульсов и такая обработка принимаемых сигналов, чтобы на выходе образовались импульсы с длительностью τ 0, при которых отношение Т /τ 0было бы примерно равным N . Сигналы, отвечающие этим условиям, называются сложными. Мы ограничимся двумя возможными вариантами этих сигналов. При линейной частотной модуляции высокочастотного заполнения импульсов и применении согласованного фильтра в приёмнике на выходе последнего образуются сигналы в виде узких импульсов и боковых остатков, при этом коэффициент сжатия (укорочения) импульсов близок к величине N = ∆ fT .

Другой тип сложного сигнала СВЧ-импульсы с фазовой манипуляцией, состоящие из набора высокочастотных составляющих с длительностью τ << Т , примыкающих друг к другу и имеющих случайное, но дискретное значение начальной фазы (например, 0, π). Обработка таких сигналов в приёмнике РЛС производится фильтровым или корреляционным способом.

Теперь обратимся к частотному методу определения дальности до цели. Если изучаемый сигнал представляет собой непрерывное колебание, а его частота меняется периодически по линейному закону (пилообразный закон ЧМ), то частота принимаемого от неподвижной цели сигнала изменяется по тому же закону, но с запаздыванием, пропорциональным дальности до цели. Отсюда следует, что, измеряя разность частот принимаемого и сильно ослабленного излучаемого сигнала, то есть, определяя частоту биений, можем получить на линейном участке ЧМ величину, пропорциональную дальности до цели. При движении цели возникает ошибка в определении дальности, вызванная появлением доплеровского эффекта. Эти ошибки возрастают на малых дальностях, а именно на этих малых дальностях наиболее выпукло проявляются преимущества частотного метода определения дальности над импульсным. Мы видим, что возникает техническое противоречие между необходимостью определения радиальных параметров движущейся цели (дальность, радиальная скорость) и точностью их измерения. Один из путей преодоления этого противоречия состоит в применении вместо пилообразной ЧМ симметричного треугольного закона изменения частоты излучаемого сигнала. Тогда, измеряя биения частот на одном и другом полупериодах изменения модулирующей частоты, мы получим частоту для определения дальности до цели в виде полусуммы парциальных частот биений, а для вычисления радиальной скорости цели используется полуразность указанных частот биений.