Тема мне очень близка, поскольку служил в ПВО и люблю подобную технику, а сдача квалификационного экзамена всегда была праздником. Первого класса нет, на срочной службе просто недостаточно времени дорасти до этой квалификации.
Статья по иностранным источникам, среди пионеров радаростроения упомянут и Советский Союз, объем материала явно недостаточен, но по СССР достаточно материала, стоит только погуглить.
Понятно, что сторонний человек статью не откроет, но открывавший непременно дочтет до конца, притом, что статья очень обширная. Неделю назад я бы сам так и впился в содержимое.
Итак,
Первые эксперименты
Серьезные исследовательские работы по радарам начались в 1930-х годах, но основные идеи радиолокации имеют началом классические эксперименты по изучению электромагнитных волн, проведенные в конце 1880-х годов немецким физиком Генрихом Герцем.
Герц своими опытами подтвердил более ранние теоретические работы шотландского физика Джеймса Кларка Максвелла. Максвелл вывел формулы распространения электромагнитного поля, из чего следовало, что природа световых и радиоволн одинакова, и отличаются они лишь частотой.
Из работ Максвелла следовало, что радиоволны могут отражаться от металлических объектов и преломляться в диэлектрических средах, совершенно так же, что и свет. Герц продемонстрировал это свойство в 1888 году, на радиоволнах длиной 66 см (частота 455 МГц).
Даже в то время возможность обнаружения целей уже привлекла внимание на основе практического интереса. В 1904 году во многих странах немецким инженером Кристианом Хюльсмайером был запатентован "детектор препятствий и устройство для навигации судов" на основе продемонстрированного Герцем принципа. Устройство было названо "телемобилоскопом". Уже тогда провидцы писали, что "это изобретение может иметь значение для будущих войн".
Изобретатель построил телемобилоскоп и представил его чинам из Германского морского ведомства, но прибор не привлек интерес чиновников. Экономической, социальной или военной необходимости в радарах не существовало вплоть до начала 1930-х годов, когда появились тяжелые бомбардировщики дальнего действия и ведущие мировые державы озаботились разработкой устройств, способных обнаруживать приближение вражеских самолетов.
Но до Второй Мировой войны большинство государств разрабатывали устройства, основанные на иных, чем радиолокация, принципах. К этим принципам относились акустическое обнаружение и обнаружение электрических помех от систем зажигания самолетных двигателей. Также, пытались использовать для обнаружения воздушных целей инфракрасные датчики. Но ничто из перечисленного не доказало своей эффективности.
Первые военные радары
В 1930-х годах 8 стран, независимо одна от другой, приступили к опытам по использованию радиоэха для обнаружения воздушных целей. К этому их побудила нарастающая военная опасность, при этом они уже обладали достаточным опытом в области радиотехнологий.
Соединенные Штаты, Великобритания, Германия, Франция, Советский Союз, Италия, Нидерланды и Япония приступили к экспериментам с радарами, с переменным успехом и разным уровнем мотивации; причем почти одновременно начали работы по использованию радаров в военной области. К началу Второй мировой войны многие из этих стран уже располагали образцами работоспособных военных радаров.
Впервые эффект отражения сигнала от объекта наблюдался в научно-исследовательской лаборатории военно-морских сил в Вашингтоне, США, в 1922 году. На одном берегу реки Потомак располагался радиопередатчик, а на другом - радиоприемник. Судно, случайно проходящее по реке, вызывало изменение уровня принимаемого сигнала. (Нынче подобная конфигурация называется двухпозиционной РЛС). Несмотря на многообещающие результаты эксперимента, чиновники морского ведомства США отказались спонсировать дальнейшие разработки.
Принцип радара был "переоткрыт" в 1930 году, когда американский инженер-электрик Лоуренс А. Хайленд заметил, что пролетающий в зоне луча передающей антенны самолет вызывает изменение уровня принимаемого сигнала. Как и ранее, высшие морские чины не испытали энтузиазма по поводу возможности обнаружения целей радиосредствами.
И лишь когда инженеры научились использовать одну и ту же антенну и для передачи, и для приема сигнала (ныне эта конфигурация называется однопозиционной РЛС), значение радаров для обнаружения и сопровождения воздушных и морских судов было окончательно признано. Подобная система была продемонстрирована на море на линкоре ВМС США Нью-Йорк в начале 1939 года.
Первые радары, разработанные сухопутной армией США, работали на частоте 205 МГц (SCR-268 для управления стрельбой) и частоте 100 МГц (SCR-270 для обнаружения самолетов).
Оба эти радара нашли применение с началом Второй Мировой войны. 6 наличных на Гавайях радаров SCR-270 успешно обнаружили 7 декабря 1941 года приближающиеся к Перл-Харбору японские бомбардировщики; но важность радиолокационных наблюдений не была воспринята, пока на военную базу не начали падать первые бомбы.
Англичане начали работу над радаром в 1935 году. Британское правительство, ввиду угрозы приближения войны, требовало ускорения работ. С сентября 1938 года и всю войну созданная радарная система, названная Чейн Хоум, работала в круглосуточном режиме.
Радары системы Чейн Хоум позволили англичанам, с ограниченными средствами ПВО, успешно противостоять многочисленным германским воздушным атакам весь начальный период войны. Радары работали на частоте 30 МГц, т.е. на коротких волнах, что нетрадиционно для радаров. Инженерное решение оказалось не самым оптимальным, но изобретатель радара, шотландский физик сэр Роберт Уотсон-Уотт, был уверен, что "то, что работает, лучше идеального решения, которое подоспеет слишком поздно".
Советский Союз также начал, в 1930-х годах, работы в области радиолокации. К моменту нападения Германии на СССР в июне 1941 года, инженерами был разработан ряд радаров, и уже производился радар для обнаружения самолетов с рабочей частотой 75 МГц (диапазон УКВ). Разработка и производство радаров были прекращены с началом нападения Германии, и производство пришлось переместить.
Наибольшего прогресса к началу войны достигла Германия. Германия располагала наземными и воздушными радарами, для противостояния бомбардировщикам стран антигитлеровской коалиции. Уже в начале 1936 года радар был установлен на немецком "карманном линкоре". Разработка новых радаров была приостановлена в Германии к концу 1940 года, поскольку считалось, что война уже выиграна. Но именно тогда США и Великобритания умножили свои усилия. К моменту, когда немцы осознали свой просчет, догонять было уже поздно.
Исключая несколько типов немецких радаров, работавших на частотах 375 и 560 МГц, все успешные радарные системы, разработанные до начала Второй Мировой войны, работали в диапазоне УКВ, на частотах ниже 200 МГц, что было связано с рядом проблем.
Прежде всего, радарам диапазона УКВ свойственен слишком широкий луч, при том, что узкий луч обеспечивает большую точность, лучшее разрешение, и отсутствие нежелательных отражений от земли и нежелательных помех.
Далее, диапазон УКВ спектра электромагнитных волне не позволяет излучать сигнал с широкой частотной полосой, что требуется для излучения коротких импульсов, позволяющих точнее определять местоположение цели.
И, наконец, в диапазоне УКВ велик уровень атмосферных помех, ограничивающих чувствительность приемного устройства. Несмотря на все эти недостатки, в 1930-х годах УКВ-радары являлись наиболее передовыми устройствами. Но уже на этапе ранних разработок было осознано, что желательна работа на еще более высоких частотах, в основном оттого, что узкий луч может быть достигнут при сравнительно небольших антеннах.
Успехи радиолокации в годы Второй Мировой войны
Прорыв в микроволновый диапазон, со всеми его преимуществами, произошел в конце 1939 года, с изобретением британскими физиками из Бирмингемского университета резонаторного магнетрона. В 1940 году британцы с гордостью раскрыли Соединенным Штатам концепцию магнетрона и тайно перевезли образец в США, работа над которым составила основное содержание работы организованной Массачусетским технологическим институтом радиолокационной лаборатории при Кембриджском университете. Реальностью микроволновые радары в годы Второй Мировой войны стали благодаря магнетрону.
Как результат работы лаборатории, за 5 лет работы (1940-1945) ею было разработано свыше 100 различных радарных систем. Одной из самых примечательных разработок лаборатории явился радар SCR-584 управления артиллерийским огнем. По нашим понятиям, это станция орудийной наводки (СОН). Станция использовала сопровождение с коническим сканированием, при котором скошенный рабочий луч непрерывно вращается относительно центральной оси антенны, при ширине диаграммы направленности (лепестка) в 4 градуса. Это гарантирует высокую точность углового обнаружения, что позволяло наводить артиллерийские орудия на цель без помощи оптики (чего требовали прежние радары с более широким лучом, например SCR-268).
Радар SCR-584 работал на частотах 2,7-2,9 ГГц (по англ. терминологии, диапазон частот S-band, или сантиметровый), с параболической антенной диаметром 2 метра. Впервые этот радар был задействован в начале 1944 года в битве за итальянский город Анцио (итало-американский фильм 1968 года Битва за Анцио). Новый радар появился вовремя, поскольку к тому времени немцы уже научились подавлять радар SCR-268. Появление же на театре войны радара SCR-584 застало немцев врасплох.
Советский Союз выпускал копию радара SCR-584 под названием СОН-4, для управления огнем крупнокалиберной зенитной артиллерии.
Радары послевоенной эпохи
Разработка новых радаров после войны притормозилась. Вторая половина 1940-х годов прошла в реализации выдвинутых в ходе войны идей. Две из этих идей - моноимпульсная радиолокация и индикация движущихся целей, что будет обсуждено ниже в абзацах о доплеровских радарах и определении скорости цели. Для реализации этих идей потребовалось немало лет исследований и работы.
Новые и лучшие радары появились в 1950-х годах, одним из них явился высокоточный моноимпульсный радар AN/FPS-16, определяющий угловое положение цели с точностью 0,1 миллирадиана (около 20 дуговых секунд).
Впрочем, не исключено, что миллирадиан армии США и НАТО не равен геометрическому миллирадиану ("настоящий" миллирадиан = 1/6283 окружности, миллирадиан стран НАТО = 1/6400 окружности).
Появились также мощные радары дальнего обнаружения воздушной цели с рабочей частотой 220 и 450 МГц. Эти системы снабжались огромной вращающейся антенной с размером по горизонтали 37 метров. Другим достижением явился клистронный усилитель, позволяющий создавать мощные радары дальнего действия.
В начале 1950-х годов впервые появился радар с синтезированием апертуры (искусственным раскрывом антенны), но на доведение его до совершенства потребовалось почти 30 лет, с внедрением цифровой обработки и прочих усовершенствований. Также, в конце 1950-х годов был представлен бортовой импульсно-доплеровский радар для крылатых ракет класса "воздух-воздух" Бомарк.
Все 1950-е годы были также посвящены важным теоретическим разработкам в области радиолокационной техники. Это, в частности,
- статическая теория обнаружения сигнала на фоне шумов;
- теория согласованной фильтрации, позволившая оптимально конфигурировать приемное устройство радара для обнаружения слабых сигналов;
- функция неопределенности Вудворда, позволившая уточнить форму зондирующего сигнала для повышения точности измерения дальности и радиальной скорости;
- доплеровская фильтрация для индикации движущихся целей, что приобрело особую важность с развитием цифровых технологий, позволивших воплотить на практике теоретические разработки.
Еще до начала Второй Мировой войны был известен эффект доплеровского смещения и возможность его использования, но на реализацию принципа потребовались годы. Серьезное использование принципа началось в 1950-х годах, и к настоящему времени принцип эксплуатируется во множестве радарных систем. Как пояснялось ранее, доплеровское смещение отраженного сигнала проистекает от относительного движения цели и радара. Работа радаров непрерывного излучения, индикации движущихся целей, и импульсно-доплеровских на фоне мощных местных помех немыслимы без использования доплеровской частоты.
Доплеровский сдвиг - основа работы полицейских радар-детекторов. В радарах с синтезированной апертурой и инверсных РЛС с синтезированной апертурой доплеровская частота используется для получения образов (визуализации) местности и цели с высоким разрешением.
Доплеровский сдвиг также используется в системах радионавигации для измерения скорости воздушного судна, несущего радар. Извлечение доплеровского смещения в погодных радарах, более того, позволяет идентифицировать ураганы и опасные ветровые сдвиги, на что не способны радары иных систем.
Первый огромный электронно-управляемый радар с фазированной электронной решеткой был введен в эксплуатацию в 1960-х годах. В это время для ВМС США с целью установки на американском палубном самолете дальнего радиолокационного обнаружения Грумман E-2.была разработана бортовая РЛС индикации движущихся воздушных целей.
Также, в 1960-е годы были раскрыты многие характеристики загоризонтных РЛС, а также разработано радары обнаружения баллистических ракет и космических спутников.
Радары цифровой эры
1970-е годы привели к стремительному развитию цифровых технологий, что сделало практически осуществимой цифровую обработку сигналов и данных с современных радаров. Радикальный прогресс был достигнут в конструкции бортовых импульсно-доплеровских радаров, существенно повысив их способность выделять воздушные цели на фоне сильных отражений от местников.
Система дальнего радиолокационного обнаружения и управления Авакс и военных бортовых радаров перехвата базируется на импульсно-доплеровском принципе. Также, в 1970-е годы радары стали использоваться на космических кораблях для удаленного сбора разведывательной информации в окружающей среде.
В последующее десятилетие радиолокационные методы развились до состояния, позволяющего радарам различать между целями различных типов. Также, в 1980-е годы стало осуществимым серийное производство РЛС с фазированной антенной решеткой для систем ПВО (системы Пэтриот и Иджис), бортовых радаров для бомбардировщиков B-1B, и систем обнаружения Пэйв Поз.
Прогресс в области дистанционного зондирования сделал возможным измерение дующих над поверхностью моря ветров, среднего уровня моря для обмера земного геоида, волнистости морской поверхности, состояния льда, и прочие эффектов окружающей среды. Новые возможности радаров проявились с внедрением твердотельных технологий и интегральных микросхем СВЧ-диапазона, при том, что 10-20 лет назад эти возможности представлялись научным курьезом.
Дальнейшее развитие компьютерных технологий в 1990-е годы позволило получать еще больше информации о целях и окружающей среде путем обработки отраженного сигнала. Новые возможности прогноза опасных погодных явлений появились с внедрением доплеровских погодных радаров (например, NEXRAD), позволяющих измерять радиальную компоненту скорости ветра, а также интенсивности осадков. В крупных аэропортах или вблизи них были установлены аэродромные доплеровские метеорологические радары для предупреждения об опасных изменениях скорости и направления ветра при взлете и посадке.
От производителей радаров для таких применений, как управление воздушным движением, потребовалось создание радаров, работающих без обслуживающего персонала и с минимальным временем простоя на ремонт. Загоризонтные радары появились у множества стран, прежде всего для дальнего обнаружения воздушных целей (на расстояниях порядка 3700 км).
РЛС космического базирования продолжали собирать информацию о земной и морской поверхности по всему земному шару. Космические зонды доставили к Венере улучшенные РЛС с формированием изображения и передали на Землю изображение ее поверхности с высоким разрешением, проникнув впервые в истории через ее непроницаемый облачный покров.
Первые радары ПВО от баллистических ракет были задуманы и разработаны в середине 1950-х и 1960-х годов, но работа над подобными системами была остановлена с подписанием в 1972 году Договора об ограничении систем противоракетной обороны между СССР и США. Применение в ходе войны в Персидском заливе (1990-1991) тактических баллистических ракет вновь вновь побудило США создавать радары для защиты от них. США и Россия наращивали свои системы ПВО для защиты от подобных ракет. Израиль, для защиты территории страны, разместил РЛС с фазированными антенными решетками как часть системы ПРО.
США разработали мобильный комплекс наземных РЛС на основе твердотельных технологий с активной апертурой и фазированными антенными решетками высотного заатмосферного перехвата ракет средней дальности на театре военных действий (THAAD GBR).
Прогресс цифровых технологий в первом десятилетии 21-го века привел к дальнейшему совершенствованию методов обработки сигналов и данных, с целью разработок почти полностью цифровых радаров с фазированными антенными решетками. Появились мощные передатчики миллиметровых волн для радиолокационной техники (с типичной рабочей частотой 94 ГГц), при этом их средняя мощность в 100-1000 раз превышает мощность прежних передатчиков.