.jpg/1280px-Original_cavity_magnetron,_1940_(9663811280).jpg)
История радара (где радар означает радиообнаружение и измерение дальности ) началась с экспериментов Генриха Герца в конце 19 века, которые показали, что радиоволны отражаются от металлических предметов. Такая возможность была предложена в основополагающей работе Джеймса Клерка Максвелла по электромагнетизму . Однако только в начале 20-го века системы, способные использовать эти принципы, стали широко доступны, и именно немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер первым использовал их для создания простого устройства обнаружения кораблей, предназначенного для предотвращения столкновений в тумане (Reichspatent Nr. .165546). Настоящие радары, такие как британская система раннего предупреждения Chain Home , предоставляющая информацию о направлении объектам на коротких дистанциях, были разработаны в течение следующих двух десятилетий.
Разработка систем, способных генерировать короткие импульсы радиоэнергии, стала ключевым достижением, позволившим появиться современным радиолокационным системам. Синхронизируя импульсы на осциллографе , можно было определить дальность, а направление антенны выявить угловое положение целей. Вместе они обеспечили «исправление», определив местоположение цели относительно антенны. В период 1934–1939 годов восемь стран независимо и в большой секретности разработали системы этого типа: Великобритания, Германия, США , СССР , Япония, Нидерланды, Франция и Италия. Кроме того, Великобритания поделилась своей информацией с Соединенными Штатами и четырьмя странами Содружества: Австралией, Канадой, Новой Зеландией и Южной Африкой, и эти страны также разработали свои собственные радиолокационные системы. Во время войны к этому списку добавилась Венгрия. [1] Термин «РАДАР» был придуман в 1939 году Корпусом связи США, когда он работал над этими системами для ВМФ. [2]
Прогресс во время войны был быстрым и имел большое значение, вероятно, один из решающих факторов победы союзников . Ключевой разработкой стал магнетрон в Великобритании [3] , который позволил создать относительно небольшие системы с субметровым разрешением. К концу военных действий Великобритания, Германия, США, СССР и Япония располагали широким спектром радаров наземного и морского базирования, а также небольших бортовых систем. После войны использование радаров распространилось на многочисленные области, включая гражданскую авиацию , морскую навигацию, радары для полиции, метеорологию и даже медицину. Ключевые разработки послевоенного периода включают в себя лампу бегущей волны как способ производства большого количества когерентных микроволн , разработку систем задержки сигнала, которые привели к созданию радаров с фазированной решеткой , и постоянно растущие частоты, обеспечивающие более высокое разрешение. Увеличение возможностей обработки сигналов благодаря внедрению твердотельных компьютеров также оказало большое влияние на использование радаров.
Место радара в более широкой истории науки и техники разные авторы аргументируют по-разному. С одной стороны, радар очень мало внес в теорию, которая была широко известна еще со времен Максвелла и Герца. Таким образом, радар не продвинул науку, а был просто вопросом технологии и техники. Морис Понте, один из разработчиков радаров во Франции, утверждает:
Фундаментальный принцип радара принадлежит общему достоянию физиков; в конце концов, реальная заслуга технических специалистов измеряется эффективной реализацией эксплуатационных материалов. [4]
Но другие указывают на огромные практические последствия развития радаров. Радар способствовал победе союзников во Второй мировой войне гораздо больше, чем атомная бомба. [5] Роберт Будери [6] утверждает, что это также было предшественником многих современных технологий. Из рецензии на его книгу:
... радар стал основой множества достижений после войны, создав настоящую генеалогическую древо современных технологий. Благодаря радару астрономы могут составлять карты контуров далеких планет, врачи могут видеть изображения внутренних органов, метеорологи могут измерять дождь, выпадающий в отдаленных местах, путешествие по воздуху в сотни раз безопаснее, чем путешествие по дороге, междугородние телефонные звонки дешевле, чем почтовые расходы, компьютеры стали повсеместными, и обычные люди могут готовить себе ежедневные обеды в перерывах между ситкомами, используя то, что раньше называлось радаром . [7]
В последующие годы радар использовался в научных инструментах, таких как метеорологический радар и радиолокационная астрономия .
В 1886–1888 годах немецкий физик Генрих Герц провел серию экспериментов, доказавших существование электромагнитных волн (в том числе радиоволн ), предсказанных в уравнениях, разработанных в 1862–1864 годах шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом . В эксперименте Герца 1887 года он обнаружил, что эти волны проходят через различные типы материалов, а также отражаются от металлических поверхностей в его лаборатории, а также от проводников и диэлектриков . Природа этих волн, подобная видимому свету в их способности отражаться, преломляться и поляризоваться, будет показана Герцем и последующими экспериментами других физиков. [8]
Пионер радио Гульельмо Маркони заметил, что радиоволны отражаются обратно к передатчику от объектов в экспериментах с радиомаяками, которые он провел 3 марта 1899 года на равнине Солсбери. [9] В 1916 году он и британский инженер Чарльз Сэмюэл Франклин использовали короткие волны в своих экспериментах, имеющих решающее значение для практического развития радаров. [10] Шесть лет спустя он рассказал о своих выводах в докладе 1922 года, представленном Институту инженеров-электриков в Лондоне:
Я также описал испытания, проведенные по передаче луча отраженных волн через всю страну... и указал на возможность полезности такой системы применительно к маякам и плавучим маякам, чтобы дать возможность судам в туманную погоду обнаруживать опасные точки вокруг побережья... Мне [теперь] кажется, что можно сконструировать [аппарат], с помощью которого корабль мог бы излучать или проецировать расходящийся пучок этих лучей в любом желаемом направлении, причем эти лучи, если они попадут на пути металлический объект, такой как другой пароход или корабль, будет отражен обратно в приемник, экранированный от местного передатчика на отправляющем корабле, и тем самым немедленно выявит присутствие и направление другого корабля в тумане или в густую погоду. [11] [12] [13]
В 1904 году Кристиан Хюльсмайер публично продемонстрировал в Германии и Нидерландах использование радиоэхо для обнаружения кораблей , чтобы можно было избежать столкновений. Его устройство состояло из простого искрового разрядника , использовавшегося для генерации сигнала, который направлялся с помощью дипольной антенны с цилиндрическим параболическим отражателем . Когда сигнал, отраженный от корабля, улавливал аналогичная антенна, прикрепленная к отдельному когерерному приемнику , раздавался звонок. В плохую погоду или туман устройство периодически вращалось, чтобы проверить наличие ближайших кораблей. Аппарат обнаруживал присутствие кораблей на расстоянии до 3 километров (1,6 морских миль), и Хюльсмейер планировал расширить его возможности до 10 километров (5,4 морских миль). Он не предоставлял информацию о дальности (расстоянии), а только предупреждал о ближайшем объекте. Он запатентовал устройство, названное телемобилоскопом , но из-за отсутствия интереса со стороны военно-морских властей изобретение не было запущено в производство. [14]
Хюльсмейер также получил поправку к патенту для оценки дальности полета корабля. Используя вертикальное сканирование горизонта с помощью телемобилоскопа , установленного на вышке, оператор находил угол, под которым отражение было наиболее интенсивным, и с помощью простой триангуляции определял приблизительное расстояние. В этом отличие от более поздней разработки импульсного радара, который определяет расстояние через время двустороннего прохождения импульса.
Радиоустройство для дистанционного указания присутствия кораблей было построено в Германии Кристианом Хюльсмейером в 1904 году. Институт инженеров по электротехнике и электронике признал это изобретение первой работающей радиолокационной системой после открытия Исторической вехи IEEE. в октябре 2019 года. [15]
В течение следующих трех десятилетий в Германии был разработан ряд систем радиообнаружения, но ни одна из них не была импульсными радарами. Ситуация изменилась перед Второй мировой войной. Описаны изменения в трех ведущих отраслях. [16]
В начале 1930-х годов физик Рудольф Кюнхольд , научный руководитель Кригсмарине ( ВМС Германии) Nachrichtenmittel-Versuchsanstalt (NVA — Экспериментальный институт систем связи) в Киле , предпринял попытку усовершенствовать акустические методы подводного обнаружения кораблей. Он пришел к выводу, что желаемой точности измерения расстояния до целей можно достичь только с помощью импульсных электромагнитных волн .
В 1933 году Кюнхольд впервые попытался проверить эту концепцию с помощью передающего и приемного устройства, работавшего в микроволновом диапазоне на частоте 13,5 см (2,22 ГГц). В передатчике использовалась трубка Баркгаузена-Курца (первый микроволновый генератор), производившая всего 0,1 Вт. Не добившись успеха, он обратился за помощью к Паулю-Гюнтеру Эрбслё и Хансу-Карлу Фрайхерру фон Виллисену, радиолюбителям, которые разрабатывали систему УКВ для связи. Они с энтузиазмом согласились и в январе 1934 года основали для этих целей компанию Gesellschaft für Elektroakustische und Mechanische Apparate (GEMA). С самого начала фирма всегда называлась просто GEMA. [17]
В GEMA всерьез началась работа над Funkmessgerät für Untersuruchung (радиоизмерительным прибором для исследований). Ганс Хольманн и Теодор Шультес, оба из престижного Института Генриха Герца в Берлине, были добавлены в качестве консультантов. В первом аппарате использовался магнетрон с разделенным анодом, приобретенный у Philips в Нидерландах. Это обеспечивало около 70 Вт на расстоянии 50 см (600 МГц), но страдало нестабильностью частоты. Холлманн построил регенеративный приемник, а Шультес разработал антенны Яги для передачи и приема. В июне 1934 года крупные суда, проходившие через Кильскую гавань, были обнаружены с помощью доплеровской интерференции на расстоянии около 2 км (1,2 мили). В октябре наблюдались сильные отражения от самолета, пролетавшего сквозь луч; это открыло возможность рассмотрения других целей, кроме кораблей.
Затем Кюнхольд перевел работу GEMA на систему с импульсной модуляцией. Был использован новый магнетрон Philips длиной 50 см (600 МГц) с лучшей стабильностью частоты. Он модулировался импульсами длительностью 2 мкс с частотой повторения импульсов 2000 Гц. Передающая антенна представляла собой решетку из 10 пар диполей с отражающей сеткой. В широкополосном регенеративном приемнике использовались лампы Acorn от RCA, а приемная антенна имела три пары диполей и включала переключение лепестков . Блокирующее устройство ( дуплексер ) закрывает вход приемника, когда передатчик подает импульс. Для отображения дальности использовалась трубка Брауна (ЭЛТ ) .
Впервые оборудование было испытано на полигоне СВА в заливе Любеккер недалеко от Пельцерхакена. В мае 1935 года он обнаружил отражения из леса через залив на расстоянии 15 км (9,3 мили). Однако он имел ограниченный успех в обнаружении исследовательского корабля «Велле» , находившегося совсем недалеко. Затем приемник был перестроен и превратился в сверхрегенеративную установку с двумя каскадами промежуточной частоты. Благодаря этому улучшенному приемнику система легко отслеживала суда на расстоянии до 8 км (5,0 миль).
В сентябре 1935 года главнокомандующему Кригсмарине была устроена демонстрация . Производительность системы была превосходной; дальность считывалась с трубки Брауна с допуском 50 метров (отклонение менее 1 процента), а переключение лепестков обеспечивало точность направления 0,1 градуса. Исторически это был первый военный корабль, оснащенный радаром. Хотя это устройство не было запущено в производство, GEMA получила финансирование на разработку аналогичных систем, работающих на частоте около 50 см (500 МГц). Они стали Seetakt для Кригсмарине и Freya для Люфтваффе (ВВС Германии).
Кюнхольд остался в СВА, но также консультировался с GEMA. Многие в Германии считают его отцом радара. В 1933–1936 годах Холлманн написал первый всеобъемлющий трактат по микроволнам, Physik und Technik der ultrakurzen Wellen (Физика и техника ультракоротких волн), Springer 1938.
В 1933 году, когда Кюнхольд из NVA впервые экспериментировал с микроволнами, он запросил у Telefunken информацию о микроволновых лампах. (Telefunken был крупнейшим поставщиком радиопродукции в Германии). Там Вильгельм Толме Рунге сказал ему, что для этих частот нет электронных ламп. Фактически, Рунге уже экспериментировал с высокочастотными передатчиками, а отдел ламп Telefunken работал над устройствами с длиной волны см.
Летом 1935 года Рунге, ныне директор лаборатории радиоисследований Telefunken, инициировал финансируемый из собственных средств проект по радиообнаружению. С использованием ламп Баркгаузена-Курца были построены приемник диаметром 50 см (600 МГц) и передатчик мощностью 0,5 Вт. Поместив антенны плашмя на землю на некотором расстоянии друг от друга, Рунге организовал полет самолета над головой и обнаружил, что приемник дает сильный сигнал доплеровских помех. [18]
Рунге, теперь с Гансом Холлманном в качестве консультанта, продолжил разработку системы длиной 1,8 м (170 МГц) с использованием импульсной модуляции. Вильгельм Степп разработал приемопередающее устройство ( дуплексер ), позволяющее использовать общую антенну. Степп также дал системе кодовое название «Дармштадт» в честь своего родного города, начав в Telefunken практику давать системам названия городов. Система с мощностью передатчика всего в несколько ватт была впервые испытана в феврале 1936 года, обнаружив самолет на расстоянии около 5 км (3,1 мили). Это побудило Люфтваффе профинансировать разработку системы наводки 50 см (600 МГц) Würzburg . [19]
Еще до Первой мировой войны компания Standard Elektrik Lorenz была основным поставщиком коммуникационного оборудования для немецкой армии и главным конкурентом Telefunken. В конце 1935 года, когда Лоренц обнаружил, что Рунге в Telefunken проводит исследования в области радиодетекторного оборудования, они начали аналогичную деятельность под руководством Готфрида Мюллера. Был создан комплекс с импульсной модуляцией под названием Einheit für Abfragung (DFA – Устройство для обнаружения). В нем использовалась лампа типа DS-310 (аналогичная «Жёлуди»), работающая на частоте 70 см (430 МГц) и мощностью около 1 кВт. Она имела идентичные передающую и приёмную антенны, состоящие из рядов полуволновых диполей, подкреплённых отражающим экраном.
В начале 1936 года первоначальные эксперименты дали отражения от больших зданий на расстоянии примерно 7 км (4,3 мили). Мощность была увеличена вдвое за счет использования двух трубок, а в середине 1936 года оборудование было установлено на скалах недалеко от Киля, и были достигнуты хорошие результаты обнаружения кораблей на расстоянии 7 км (4,3 мили) и самолетов на расстоянии 4 км (2,5 мили).
Об успехе этой экспериментальной установки было доложено Кригсмарине , но они не проявили никакого интереса; они уже полностью сотрудничали с GEMA по поставке аналогичного оборудования. Кроме того, из-за обширных соглашений между Лоренцем и многими зарубежными странами у военно-морских властей были оговорки относительно компании, выполняющей секретную работу. Затем DFA был продемонстрирован Heer (немецкой армии), и они заключили контракт с Лоренцем на разработку Kurfürst (Курфюрст), системы поддержки Flugzeugabwehrkanone (зенитные орудия).
В 1915 году Роберт Уотсон Уотт поступил на работу в Метеорологическое управление в качестве метеоролога , работая на станции в Олдершоте в Хэмпшире . В течение следующих 20 лет он изучал атмосферные явления и разработал использование радиосигналов, генерируемых ударами молний , для определения положения гроз . Трудность определения направления этих мимолетных сигналов с помощью вращающихся направленных антенн привела в 1923 году к использованию осциллографов для отображения сигналов. В конечном итоге операция переместилась на окраину Слау в Беркшире , и в 1927 году была образована Радиоисследовательская станция (RRS) в Слау, подразделение Департамента научных и промышленных исследований (DSIR). Уотсон Уотт был назначен суперинтендантом RRS.
Когда над Британией сгущались тучи войны, вероятность воздушных налетов и угроза вторжения по воздуху и по морю потребовали серьезных усилий по применению науки и технологий в обороне. В ноябре 1934 года министерство авиации учредило Комитет по научным исследованиям противовоздушной обороны (CSSAD), официальная функция которого заключалась в рассмотрении того, «в какой степени последние достижения научно-технических знаний могут быть использованы для усиления нынешних методов защиты от самолетов противника». . Эта группа , обычно называемая «Комитетом Тизарда» по имени ее председателя сэра Генри Тизарда , оказала глубокое влияние на технические разработки в Великобритании.
Его Превосходительство Вимперис, директор по научным исследованиям министерства авиации и член комитета Тизарда, прочитал о статье в немецкой газете, в которой утверждалось, что немцы построили луч смерти с использованием радиосигналов, сопровождаемый изображением очень большой радиоантенны. Обеспокоенный и потенциально воодушевленный этой возможностью, но в то же время крайне скептически настроенный, Вимперис искал эксперта в области распространения радиосигналов, который мог бы высказать свое мнение по этой концепции. Уотт, суперинтендант РРС, теперь был признан авторитетом в области радио, и в январе 1935 года Вимперис связался с ним и спросил, можно ли использовать радио для такого устройства. Обсудив это со своим научным помощником Арнольдом Ф. «Скипом» Уилкинсом , Уилкинс быстро произвел приблизительные расчеты , которые показали, что требуемая энергия будет огромной. Ватт ответил, что это маловероятно, но добавил следующий комментарий: «Внимание обращено на все еще трудную, но менее бесперспективную проблему радиообнаружения, и численные соображения по методу обнаружения отраженными радиоволнами будут представлены, когда потребуется». . [20]
В течение следующих нескольких недель Уилкинс размышлял над проблемой радиообнаружения. Он изложил подход и подкрепил его подробными расчетами необходимой мощности передатчика, характеристик отражения самолета и необходимой чувствительности приемника. Он предложил использовать направленный приемник, основанный на концепции обнаружения молний Уотта, принимая мощные сигналы от отдельного передатчика. Измерение времени и, следовательно, расстояния будет осуществляться путем запуска трассировки осциллографа с помощью приглушенного сигнала от передатчика, а затем простого измерения отдачи по шкале. Уотсон Уатт направил эту информацию в министерство авиации 12 февраля 1935 года в секретном докладе под названием «Обнаружение самолетов радиометодами».
Отражение радиосигналов имело решающее значение для предлагаемой техники, и Министерство авиации спросило, можно ли это доказать. Чтобы проверить это, Уилкинс установил приемное оборудование на поле недалеко от Аппер-Стоу, Нортгемптоншир . 26 февраля 1935 года бомбардировщик «Хэндли Пейдж Хейфорд» пролетел по пути между приемной станцией и передающими вышками коротковолновой станции BBC в соседнем Давентри . Самолет отражал сигнал BBC на частоте 6 МГц (49 м), и это было легко обнаружено Арнольдом «Скипом» Уилкинсом с использованием доплеровской интерференции на расстоянии до 8 миль (13 км). Это убедительное испытание, известное как « Эксперимент Давентри» , было засвидетельствовано представителем Министерства авиации и привело к немедленному разрешению на создание полноценной демонстрационной системы. Этот эксперимент позже был воспроизведен Уилкинсом в эпизоде телесериала BBC «Тайная война» 1977 года «Увидеть сто миль».
На основе импульсной передачи, используемой для зондирования ионосферы , команда разработала и построила в РРС предварительную систему. Их существующий передатчик имел пиковую мощность около 1 кВт, и, по оценкам Уилкинса, потребуется 100 кВт. Эдвард Джордж Боуэн был добавлен в команду для разработки и создания такого передатчика. Передатчик Боуэнса работал на частоте 6 МГц (50 м), имел частоту повторения импульсов 25 Гц, длительность импульса 25 мкс и приближался к желаемой мощности.
В качестве полигона был выбран Орфорднесс , узкий полуостров длиной 19 миль (31 км) в Саффолке вдоль побережья Северного моря . Здесь оборудование будет открыто эксплуатироваться под видом станции ионосферного мониторинга. В середине мая 1935 года оборудование было перевезено в Орфорднесс. Было возведено шесть деревянных башен: две для нанизывания передающей антенны и четыре для углов скрещенных приемных антенн. В июне начались общие испытания техники.
17 июня была обнаружена первая цель — летающая лодка Supermarine Scapa на дальности 17 миль (27 км). [21] Исторически верно , что 17 июня 1935 года радиообнаружение и определение дальности были впервые продемонстрированы в Великобритании . Уотсону Уотту, Уилкинсу и Боуэну обычно приписывают создание в этой стране того, что позже будет названо радаром. [22]
В декабре 1935 года британское казначейство выделило 60 000 фунтов стерлингов на систему из пяти станций под названием Chain Home (CH), охватывающую подходы к устью Темзы . Секретарь комитета Тизарда Альберт Персиваль Роу в качестве прикрытия для работы придумал аббревиатуру RDF, означающую дальность и пеленгацию, но подразумевающую уже известную радиопеленгацию .
В конце 1935 года, отвечая на признание Линдеманном необходимости оборудования для ночного обнаружения и перехвата, а также осознавая, что существующие передатчики слишком тяжелы для самолетов, Боуэн предложил установить только приемники, которые позже будут называться бистатическими радарами . [23] Предложения Фредерика Линдеманна по инфракрасным датчикам и воздушным минам окажутся непрактичными. [24] Потребовались усилия Боуэна — по настоянию Тизарда, который все больше беспокоился о необходимости — увидеть радар класса «воздух-поверхность» (ASV) , а через него и радар перехвата самолетов (ИИ) , чтобы увенчаться успехом. . [25]
В 1937 году команда Боуэна установила свой примитивный радар ASV , первый в мире бортовой комплекс, для обнаружения флота метрополии в мрачную погоду. [26] Лишь весной 1939 года, «в срочном порядке» после выхода из строя прожекторной системы «Силуэт», [27] внимание было обращено на использование ASV для перехвата «воздух-воздух» (AI). [27] Продемонстрированный в июне 1939 года, ИИ получил теплый прием со стороны главного маршала авиации Хью Даудинга и, тем более, со стороны Черчилля . Это оказалось проблематичным. [27] Его точность, зависящая от высоты самолета, означала, что CH, способный преодолевать расстояние всего в 4 мили (6,4 км), был недостаточно точным, чтобы разместить самолет в пределах дальности обнаружения, и требовалась дополнительная система. [28] Его деревянное шасси имело тревожную тенденцию к возгоранию (даже при внимании опытных технических специалистов), [29] настолько, что Даудинг, когда ему сказали, что Watson-Watt может предоставить сотни комплектов, потребовал «десять таких комплектов». [30] Комплекты Cossor и MetroVick были слишком тяжелыми для использования в самолетах [27] , а в ВВС Великобритании не хватало пилотов ночных истребителей , наблюдателей, [31] и подходящих самолетов. [32] [ нужна страница ]
В 1940 году Джон Рэндалл и Гарри Бут разработали резонаторный магнетрон , который сделал реальностью радар с десятисантиметровой длиной волны. Это устройство размером с небольшую обеденную тарелку можно было легко переносить на самолетах, а короткая длина волны означала, что антенна также будет небольшой и, следовательно, подходящей для установки на самолетах. Короткая длина волны и высокая мощность сделали его очень эффективным при обнаружении подводных лодок с воздуха.
Чтобы помочь Chain Home в расчете высоты, по просьбе Даудинга в 1940 году был представлен электрический калькулятор типа Q (обычно называемый «Фруктовая машина») .
Решение проблемы ночного перехвата будет предложено доктором У.Б. «Беном» Льюисом, который предложил новый, более точный дисплей наземного контроля, индикатор планового положения (PPI), новый радар наземного перехвата (GCI) и надежный искусственный интеллект. радар . [28] Наборы искусственного интеллекта в конечном итоге будут созданы EMI . [29] GCI, несомненно, задерживался из-за противодействия Уотсону-Уотту и его убежденности в том, что CH достаточно, а также из-за предпочтения Боуэна использовать ASV для навигации, несмотря на то, что бомбардировочное командование отрицало необходимость в этом, а также из-за того, что Тизард полагался на неисправный Система силуэта. [33]
В марте 1936 года работа в Орфорднессе была перенесена в поместье Боудси , расположенное неподалеку на материке. До этого времени работа официально все еще находилась в ведении DSIR, но теперь была передана Министерству авиации. На новой исследовательской станции Боудси в качестве прототипа было собрано оборудование Chain Home (CH). Когда Королевские ВВС (RAF) впервые провели испытания прототипа станции в сентябре 1936 года , возникли проблемы с оборудованием. К апрелю следующего года они были устранены, и министерство авиации приступило к планированию создания более крупной сети станций.
Первоначальное оборудование на станциях ЦО было следующим: передатчик работал на четырех заранее выбранных частотах от 20 до 55 МГц, регулируемых в течение 15 секунд, и выдавал пиковую мощность 200 кВт. Длительность импульса регулировалась от 5 до 25 мкс, а частота повторения выбиралась как 25 или 50 Гц. Для синхронизации всех передатчиков CH генератор импульсов был привязан к частоте 50 Гц британской электросети. Четыре стальные башни высотой 360 футов (110 м) поддерживали передающие антенны, а четыре деревянные башни высотой 240 футов (73 м) поддерживали решетки кросс-диполей на трех разных уровнях. Гониометр использовался для повышения точности направления от нескольких приемных антенн .
К лету 1937 года 20 начальных станций ЦО находились в эксплуатации. Крупные учения Королевских ВВС были проведены до конца года и имели такой успех, что Казначейство выделило 10 000 000 фунтов стерлингов на создание полной цепочки прибрежных станций. В начале 1938 года ВВС Великобритании взяли под свой контроль все станции CH, и сеть начала регулярную работу.
В мае 1938 года Роу сменил Уотсона Уотта на посту суперинтенданта в Боудси. Помимо работ над CH и системами-преемниками, в настоящее время ведется большая работа над бортовым оборудованием RDF. Его возглавил Э.Г. Боуэн, и основное внимание уделялось установкам с частотой 200 МГц (1,5 м). Более высокая частота позволила использовать антенны меньшего размера, подходящие для установки на самолете.
С самого начала работы RDF в Орфорднессе министерство авиации держало в курсе британскую армию и Королевский флот; это привело к тому, что обе эти силы имели собственные разработки RDF.
В 1931 году на исследовательской станции в Вулвиче Армейского экспериментального института сигналов (SEE) В.С. Бутемент и П.Е. Поллард исследовали импульсные сигналы частотой 600 МГц (50 см) для обнаружения кораблей. Хотя по этому поводу был подготовлен меморандум и проведены предварительные эксперименты, военное министерство по невыясненным причинам не приняло его во внимание. [34]
По мере продвижения работы Министерства авиации над RDF полковник Питер Уорлледж из Королевского совета инженеров и связи встретился с Уотсоном Уоттом и был проинформирован об оборудовании и методах RDF, разрабатываемых в Орфорднессе. Его отчет «Предлагаемый метод обнаружения самолетов и его перспективы» побудил SEE создать «армейскую ячейку» в Боудси в октябре 1936 года. Это было под руководством Э. Талбота Пэрис, и в ее состав входили Бутемент и Поллард. В работе Ячейки особое внимание уделяется двум основным типам оборудования RDF: системам наведения (GL) для помощи зенитным орудиям и прожекторам и системам береговой обороны (CD) для управления береговой артиллерией и защиты армейских баз за рубежом.
Поллард возглавил первый проект - артиллерийскую установку RDF под кодовым названием Mobile Radio Unit (MRU). Эта система, смонтированная на грузовике, была разработана как небольшая версия станции ЦО. Он работал на частоте 23 МГц (13 м) и мощности 300 кВт. Одна башня высотой 105 футов (32 м) поддерживала передающую антенну, а также две приемные антенны, установленные ортогонально для оценки направления сигнала. В феврале 1937 года конструкторское подразделение обнаружило самолет на расстоянии 60 миль (96 км). Министерство авиации также приняло эту систему в качестве мобильного вспомогательного средства к системе CH.
В начале 1938 года Бутемент приступил к разработке системы компакт-дисков на основе разрабатываемых Боуэном бортовых установок с частотой 200 МГц (1,5 м). Передатчик имел частоту импульсов 400 Гц, ширину импульса 2 мкс и мощность 50 кВт (позже увеличенную до 150 кВт). Хотя использовались многие компоненты передатчика и приемника Боуэна, система не будет бортовой, поэтому не было никаких ограничений на размер антенны.
Основная заслуга во внедрении балочных систем RDF в Великобритании должна быть отдана компании Butement. Для CD он разработал большую дипольную решетку высотой 10 футов (3,0 м) и шириной 24 фута (7,3 м), обеспечивающую гораздо более узкие лучи и более высокий коэффициент усиления. Его можно было вращать со скоростью до 1,5 оборотов в минуту. Для большей точности направления было принято лепестковое переключение приемных антенн. В рамках этой разработки он сформулировал первое – по крайней мере, в Великобритании – математическое соотношение, которое позже стало широко известно как «уравнение дальности действия радара».
К маю 1939 года CD RDF мог обнаруживать самолеты, летящие на высоте до 500 футов (150 м) и на расстоянии 25 миль (40 км). С антенной на высоте 60 футов (18 м) над уровнем моря он мог определить дальность действия 2000-тонного корабля на расстоянии 24 миль (39 км) с угловой точностью всего лишь четверть градуса.
Хотя Королевский флот поддерживал тесный контакт с министерством авиации в Боудси, они решили организовать собственную разработку RDF в Экспериментальном отделе Школы связи Его Величества (HMSS) в Портсмуте , Хэмпшир , на южном побережье.
HMSS начал работу по RDF в сентябре 1935 года. Первоначальные усилия под руководством РФ Йео были на частотах от 75 МГц (4 м) до 1,2 ГГц (25 см). Вся работа находилась под строжайшей секретностью; его нельзя было даже обсуждать с другими учеными и инженерами в Портсмуте. В конечном итоге был разработан комплект только для диапазона 75 МГц, получивший обозначение Type 79X. Основные испытания проводились на учебном корабле, но эксплуатация прошла неудовлетворительно.
В августе 1937 года разработка RDF в HMSS изменилась, и к этой деятельности были привлечены многие из их лучших исследователей. Джон Д.С. Роулинсон был назначен ответственным за улучшение Type 79X. Для повышения эффективности он снизил частоту до 43 МГц (длина волны 7 метров). Обозначенный как Тип 79Y, он имел отдельные стационарные передающую и приемную антенны.
Опытные образцы системы воздушного предупреждения Type 79Y прошли успешные испытания на море в начале 1938 года. Дальность обнаружения самолетов составляла от 30 до 50 миль (48 и 80 км) в зависимости от высоты. Затем системы были приняты на вооружение в августе на крейсере HMS Sheffield и в октябре на линкоре HMS Rodney . Это были первые корабли Королевского флота с системами RDF. [35]
В США и ВМФ, и армия нуждались в средствах дистанционного обнаружения кораблей и самолетов противника. В 1930 году обе службы инициировали разработку радиоаппаратуры, способной удовлетворить эту потребность. Координация этих усилий была слабой; таким образом, они будут описаны отдельно.
Осенью 1922 года Альберт Х. Тейлор и Лео К. Янг из Радиолаборатории самолетов ВМС США проводили эксперименты по связи, когда заметили, что деревянный корабль на реке Потомак мешает их сигналам. Они подготовили меморандум, в котором предлагалось использовать его для обнаружения кораблей при обороне гавани, но их предложение не было принято. [36] В 1930 году Лоуренс А. Хайланд , работавший с Тейлором и Янгом, ныне работающим в Исследовательской лаборатории ВМС США (NRL) в Вашингтоне, округ Колумбия, использовал аналогичное устройство радиооборудования для обнаружения пролетающего самолета. Это привело к предложению и патенту на использование этого метода для обнаружения кораблей и самолетов. [37]
Простой волновой интерференционный прибор может обнаружить присутствие объекта, но не может определить его местоположение или скорость . Пришлось дождаться изобретения импульсного радара, а затем и дополнительных методов кодирования для извлечения этой информации из непрерывного сигнала. Когда группе Тейлора в НРЛ не удалось добиться признания радиопомех в качестве средства обнаружения, Янг предложил попробовать импульсные методы. Это также позволит напрямую определять дальность до цели. В 1924 году Хайланд и Янг построили такой передатчик для Грегори Брейта и Мерла А. Тьюва в Институте Карнеги в Вашингтоне для успешного измерения высоты ионосферы . [38]
Тейлор поручил Роберту Моррису Пейджу реализовать предложение Янга. Пейдж разработал передатчик, работающий на частоте 60 МГц и создающий импульсы длительностью 10 мкс и 90 мкс между импульсами. В декабре 1934 года аппарат был использован для обнаружения самолета на расстоянии одной мили (1,6 км), летавшего вверх и вниз по Потомаку. Хотя дальность обнаружения была небольшой, а показания на мониторе осциллографа были почти нечеткими, он демонстрировал основную концепцию импульсной радиолокационной системы. [39] На основании этого Пейджу, Тейлору и Янгу обычно приписывают создание и демонстрацию первого в мире импульсного радара.
Важной последующей разработкой Пейджа стал дуплексер — устройство, которое позволяло передатчику и приемнику использовать одну и ту же антенну, не перегружая и не разрушая чувствительную схему приемника. Это также решило проблему, связанную с синхронизацией отдельных передающих и приемных антенн, что имеет решающее значение для точного определения местоположения дальних целей.
Эксперименты с импульсной радиолокацией были продолжены, прежде всего по совершенствованию приемника для обработки коротких импульсов. В июне 1936 года первый прототип радиолокационной системы НРЛ, работающий теперь на частоте 28,6 МГц, был продемонстрирован правительственным чиновникам, успешно отслеживая самолет на расстоянии до 25 миль (40 км). Их радар был основан на низкочастотных сигналах, по крайней мере, по сегодняшним стандартам, и поэтому требовал больших антенн , что делало его непрактичным для установки на корабле или самолете.
_on_27_April_1949_(80-G-K-9904).jpg/1280px-F8F-2_Bearcat_of_VF-111_on_USS_Valley_Forge_(CV-45)_on_27_April_1949_(80-G-K-9904).jpg)
Размер антенны обратно пропорционален рабочей частоте; поэтому рабочая частота системы была увеличена до 200 МГц, что позволило использовать антенны гораздо меньшего размера. Частота 200 МГц была максимально возможной при существующих передающих лампах и других компонентах. Новая система была успешно испытана в НРЛ в апреле 1937 г. В том же месяце были проведены первые морские испытания. Оборудование было временно установлено на авианосце « Лири» с антенной Яги , установленной на стволе орудия для обзора поля зрения.
Основываясь на успешных ходовых испытаниях, НРЛ еще больше усовершенствовала систему. Пейдж разработал кольцевой генератор , позволяющий использовать несколько выходных ламп и увеличивающий импульсную мощность до 15 кВт при импульсах длительностью 5 мкс. Использовалась многослойная дипольная пружинная антенна размером 20 на 23 фута (6 x 7 м). В ходе лабораторных испытаний в 1938 году система, получившая теперь обозначение XAF , обнаружила самолеты на расстоянии до 100 миль (160 км). Он был установлен на линкоре USS New York для ходовых испытаний, начавшихся в январе 1939 года, и стал первым действующим комплексом радиообнаружения и определения дальности во флоте США.
В мае 1939 года с RCA был заключен контракт на производство. Поставки под обозначением CXAM начались в мае 1940 года. Аббревиатура RADAR была придумана от «Radio Detection And Ranging». [40] Одна из первых систем CXAM была размещена на борту линкора USS California , затонувшего во время нападения японцев на Перл-Харбор 7 декабря 1941 года.
Когда началась Великая депрессия , экономические условия вынудили Корпус связи армии США сосредоточить свои широкомасштабные лабораторные операции в Форт-Монмуте, штат Нью-Джерси . 30 июня 1930 года они были переименованы в Лаборатории корпуса связи (SCL), а директором SCL был назначен подполковник (доктор) Уильям Р. Блэр .
Помимо прочего, на SCL были возложены исследования по обнаружению самолетов средствами акустического и инфракрасного излучения. Блэр проводил свои докторские исследования по взаимодействию электромагнитных волн с твердыми материалами и, естественно, уделил внимание этому типу обнаружения. Первоначально были предприняты попытки обнаружить инфракрасное излучение либо от тепла авиационных двигателей, либо от отражения от больших прожекторов с инфракрасными фильтрами, а также от радиосигналов, генерируемых зажиганием двигателя.
Некоторый успех был достигнут в инфракрасном обнаружении, но мало что было достигнуто с использованием радио. В 1932 году разработки Военно-морской исследовательской лаборатории (НРЛ) в области радиопомех для обнаружения самолетов были переданы армии. Хотя не похоже, чтобы какая-либо из этой информации использовалась Блэром, SCL все же провела систематическое исследование того, что тогда было известно во всем мире о методах генерации, модуляции и обнаружения радиосигналов в микроволновом диапазоне .
Первые решительные усилия SCL в области радиообнаружения целей начались в 1934 году, когда начальник армейского корпуса связи, увидев демонстрацию микроволнового излучения RCA , предложил изучить методы радиоэхо. SCL назвала этот метод радиоопределением местоположения (RPF). Судя по предыдущим расследованиям, компания SCL первой попробовала использовать микроволновые печи. В 1934 и 1935 годах испытания микроволнового оборудования RPF привели к получению сигналов с доплеровским сдвигом сначала на расстоянии всего в несколько сотен футов, а затем и на расстоянии более мили. Эти испытания включали бистатическую схему: передатчик на одном конце пути прохождения сигнала, приемник на другом, а отражающая цель проходила через путь прохождения сигнала или рядом с ним.
Блер, очевидно, не знал об успехе импульсной системы в НРЛ в декабре 1934 года. Во внутренней заметке от 1935 года Блер прокомментировал:
В настоящее время рассматривается схема проецирования на цель прерывистой последовательности цугов колебаний и попытка обнаружения эхо в промежутках между проекциями. [ нужна цитата ]
В 1936 году В. Дельмар Хершбергер, в то время главный инженер SCL, начал скромный проект по импульсной микроволновой передаче. Не добившись успеха в использовании микроволновых печей, Хершбергер посетил НРЛ (где он ранее работал) и увидел демонстрацию их импульсного оборудования. Вернувшись в SCL, он и Роберт Х. Нойес построили экспериментальное устройство, используя передатчик мощностью 75 Вт, 110 МГц (2,73 м) с импульсной модуляцией и приемник, созданный по образцу приемника в NRL. Запрос на финансирование проекта был отклонен военным министерством , но 75 000 долларов на поддержку были выделены из предыдущих ассигнований на коммуникационный проект.
В октябре 1936 года Пол Э. Уотсон стал главным инженером SCL и возглавил проект. Была проведена полевая установка недалеко от побережья, в которой передатчик и приемник находились на расстоянии мили. 14 декабря 1936 года экспериментальная установка обнаружила самолеты на расстоянии до 7 миль (11 км), летающие в Нью-Йорк и из него. [41]
Затем началась работа над прототипом системы. Ральф И. Коул возглавил работу по приему, а Уильям С. Маркс возглавил усовершенствование передатчика. Для определения азимута и угла места использовались отдельные приемники и антенны . И приемная, и передающая антенны использовали большие массивы дипольных проводов на деревянных каркасах. Выход системы предназначался для наведения прожектора . Первая демонстрация полной комплектации была произведена в ночь на 26 мая 1937 года. Бомбардировщик был обнаружен, а затем подсвечен прожектором. В число наблюдателей входили военный министр Генри А. Вудринг; он был настолько впечатлен, что на следующий день был отдан приказ о полной разработке системы. Конгресс выделил ассигнования в размере 250 000 долларов.
Частота была увеличена до 200 МГц (1,5 м). В передатчике использовались 16 ламп в схеме кольцевого генератора (разработанного в НРЛ), обеспечивающие пиковую мощность около 75 кВт. Майору Джеймсу К. Муру было поручено возглавить сложную электрическую и механическую конструкцию антенн с переключением лепестков . Для помощи в общей разработке были привлечены инженеры из Western Electric и Westinghouse . Прототип, получивший обозначение SCR-268 , был успешно продемонстрирован в конце 1938 года в Форт-Монро , штат Вирджиния. Производство комплектов SCR-268 было начато компанией Western Electric в 1939 году, а на вооружение они поступили в начале 1941 года.
Еще до поступления на вооружение SCR-268 он был значительно усовершенствован. В проекте, возглавляемом майором (доктором) Гарольдом А. Залом , были разработаны две новые конфигурации – SCR-270 (мобильная) и SCR-271 (стационарная). Была выбрана работа на частоте 106 МГц (2,83 м), и одна трубка с водяным охлаждением обеспечивала выходную мощность 8 кВт (100 кВт в импульсном режиме). Westinghouse получила контракт на производство и начала поставки ближе к концу 1940 года.
Армия разместила пять первых комплектов SCR-270 вокруг острова Оаху на Гавайях. В 7:02 утра 7 декабря 1941 года один из этих радаров обнаружил полет самолета на расстоянии 136 миль (219 км) строго на север. Сообщение было передано в центр предупреждения самолетов, где оно было ошибочно идентифицировано как полет американских бомбардировщиков, которые, как известно, приближались с материка. Тревога осталась без внимания, и в 7:48 японская авиация впервые нанесла удар по Перл-Харбору.
В 1895 году Александр Степанович Попов , преподаватель физики Императорского Российского военно-морского училища в Кронштадте , разработал аппарат с использованием когерерной трубки для обнаружения дальних ударов молний. В следующем году он добавил искровой передатчик и продемонстрировал первый в России комплекс радиосвязи. В 1897 году, проверяя это при связи между двумя кораблями в Балтийском море , он заметил помехи, вызванные проходом третьего судна. В своем отчете Попов писал, что это явление можно было бы использовать для обнаружения объектов, но больше он ничего не сделал с этим наблюдением.
Через несколько лет после русской революции 1917 года и создания Союза Советских Социалистических Республик (СССР или Советского Союза) в 1924 году немецкие Люфтваффе располагали самолетами, способными проникать глубоко на советскую территорию. Таким образом, обнаружение самолетов ночью или над облаками представляло большой интерес для советских Сил ПВО (ПВО).
ПВО зависело от оптических устройств для определения местоположения целей, и физик Павел К. Ощепков проводил исследования по возможному усовершенствованию этих устройств. В июне 1933 года Ощепков переключил свои исследования с оптики на радиотехнику и приступил к разработке разведывательной электромагнитной станции (разведывательной электромагнитной станции). Вскоре Ощепков был назначен руководителем отдела технической экспертизы ПВО, занимающегося радиолокационной (радиолокационной) техникой, а также возглавил Специальное конструкторское бюро (СКБ) в Ленинграде .
Главное артиллерийское управление (ГАУ) считалось «мозгом» Красной Армии . В его центральном составе располагались не только компетентные инженеры и физики, но и ряд научно-исследовательских институтов. Таким образом, на ГАУ была возложена и задача по обнаружению самолетов, а ее поручение возложено на генерал-лейтенанта М.М. Лобанова.
Изучив существующее оптическое и акустическое оборудование, Лобанов обратился и к радиолокационной технике. Для этого он обратился в Центральную радиолабораторию (ЦРЛ) в Ленинграде. Здесь Ю. К. Коровин проводил исследования в области УКВ- связи и построил передатчик длиной 50 см (600 МГц) мощностью 0,2 Вт с использованием трубки Баркгаузена – Курца . Для проверки концепции Коровин расположил передающую и приемную антенны вдоль траектории полета самолета. 3 января 1934 года по отражениям от самолета был принят доплеровский сигнал на расстоянии около 600 м и высоте 100–150 м. [42]
Для дальнейших исследований в области методов обнаружения в ПВО Российской академией наук (РАН) была организована крупная конференция по этой тематике. Конференция состоялась в Ленинграде в середине января 1934 года под председательством Абрама Федоровича Иоффе , директора Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ). Иоффе вообще считался лучшим русским физиком своего времени. Обсуждались все виды методов обнаружения, но наибольшее внимание уделялось радиолокации.
Чтобы распространить результаты конференции среди более широкой аудитории, в следующем месяце материалы конференции были опубликованы в журнале. Сюда входила вся существовавшая на тот момент информация по радиолокации в СССР, доступная (на русском языке) исследователям в этой области во всем мире. [43]
Признавая потенциальную ценность радиолокации для военных, ГАУ заключило отдельный договор с Ленинградским электрофизическим институтом (ЛЭФИ) на систему радиолокации. Эту техническую работу возглавил Б.К. Шембель. LEPI построил передатчик и приемник для изучения характеристик радиоотражения различных материалов и целей. Шембель с готовностью превратил это в экспериментальную бистатическую систему радиолокации под названием Bistro (Rapid).
Передатчик Bistro , работавший на расстоянии 4,7 м (64 МГц), производил около 200 Вт и имел частотную модуляцию тоном 1 кГц. Неподвижная передающая антенна обеспечивала широкое покрытие так называемого радиоэкрана (радиоэкрана). Регенеративный приемник , расположенный на некотором расстоянии от передатчика, имел дипольную антенну, установленную на возвратно-поступательном механизме с ручным приводом. Летательный аппарат, проходящий в экранируемую зону, будет отражать излучение, а приемник обнаружит биение доплеровской интерференции между переданным и отраженным сигналами.
Впервые Bistro было испытано летом 1934 года. Поскольку приемник находился на расстоянии до 11 км от передатчика, система могла обнаружить самолет, входящий в экран, только на расстоянии около 3 км (1,9 мили) и менее 1000 м. Считалось, что после доработок его потенциальная дальность полета составит 75 км, и в октябре было заказано пять комплектов для полевых испытаний. [44] Бистро часто называют первой радиолокационной системой СССР; однако он был неспособен напрямую измерять дальность и, следовательно, не мог быть так классифицирован.
ЛЭПИ и ЦРЛ вошли в состав Научно-исследовательского института-9 (НИИ-9, НИИ № 9), новой организации ГАУ, открытой в Ленинграде в 1935 году. Михаил Александрович Бонч-Бруевич , известный радиофизик, ранее работавший ЦРЛ и Ленинградского университета был назначен научным руководителем НИИ-9.
Исследования магнетронов начались в Харьковском университете на Украине в середине 1920-х годов. К концу десятилетия это привело к появлению публикаций с мировым распространением, таких как немецкий журнал Annalen der Physik ( «Анналы физики »). [45] На основании этой работы Иоффе рекомендовал передать часть ЛЭПИ в город Харьков , в результате чего в 1930 году был образован Украинский физико-технический институт (ЛИФТ). В составе ЛФТИ была создана лаборатория электромагнитных колебаний. (ЛЕМО) под руководством Абрама Алексеевича Слуцкина продолжила разработку магнетрона. Под руководством Александра Усикова был разработан ряд усовершенствованных магнетронов с сегментированным анодом. (Отмечено, что эти и другие ранние магнетроны, разработанные в СССР, страдали нестабильностью частоты, что было проблемой при их использовании в советских радиолокационных системах.)
В 1936 году один из магнетронов Усикова мощностью около 7 Вт на длине волны 18 см (1,7 ГГц) был использован Шембелем в НИИ-9 в качестве передатчика в радиоискателе (радиоискателе) под названием « Буря ». Работая аналогично Bistro , дальность обнаружения составляла около 10 км, а координаты азимута и места определялись с точностью до 4 градусов. Никаких попыток превратить эту систему в импульсную систему предпринято не было, поэтому она не могла обеспечить дальность действия и не могла быть классифицирована как радар. Однако это была первая система микроволнового радиообнаружения.
Пока в НИИ-9 велись работы Шембеля и Бонч-Бруевича по системам непрерывного действия, Ошегепков в СКБ и В. В. Цимбалин из ЛФТИ Иоффе занимались импульсной системой. В 1936 году была построена радиолокационная установка, работающая на частоте 4 м (75 МГц) с пиковой мощностью около 500 Вт и длительностью импульса 10 мкс. До конца года в результате испытаний с использованием отдельных передающих и приемных площадок самолет был обнаружен на расстоянии 7 км. В апреле 1937 года при увеличении пиковой мощности импульса до 1 кВт и увеличении расстояния между антеннами испытания показали дальность обнаружения около 17 км на высоте 1,5 км. Хотя это была импульсная система, она не была способна напрямую обеспечивать дальность – техника использования импульсов для определения дальности еще не была разработана.
В июне 1937 года в Ленинграде все работы по радиолокации внезапно прекратились. Печально известная Великая чистка диктатора Иосифа Сталина захлестнула высшее военное командование и поддерживающее его научное сообщество. Начальник ПВО был казнен. Ощепков, обвиненный в «тяжком преступлении», был приговорен к 10 годам лишения свободы в исправительно-трудовом лагере ГУЛАГа . НИИ-9 как организацию удалось сохранить, но Шенбеля уволили, а новым директором назначили Бонч-Бруевича. [46]
Научно -исследовательский исследовательский институт связи РККА (НИИС-КА) первоначально выступал против исследований в области радиолокации, отдавая предпочтение акустическим методам. Однако эта часть Красной Армии, пришедшая к власти в результате Великой чистки, резко развернулась, настаивая на скорейшем развитии систем радиолокации. Они взяли под свой контроль лабораторию Ощепкова и возложили на себя ответственность за все существующие и будущие соглашения по исследованиям и заводскому производству. Позднее, рассказывая о чистке и ее последствиях, генерал Лобанов отмечал, что она привела к передаче разработки под единую организацию и быстрой реорганизации работы. [47]
В бывшей лаборатории Ощепкова работы с системой импульсной передачи на диапазон 4 м (75 МГц) продолжил А. И. Шестако. За счет импульсов передатчик выдавал пиковую мощность 1 кВт, самый высокий уровень, сгенерированный на данный момент. В июле 1938 года стационарная бистатическая экспериментальная система обнаружила самолет на дальности около 30 км на высоте 500 м и на дальности 95 км по высоколетящим целям на высоте 7,5 км. Система все еще была неспособна напрямую определять дальность. Затем проект подхватило ЛФТИ Иоффе, в результате чего была разработана мобильная система, получившая название «Редут» («Редут»). Была использована новая конструкция передающих ламп, обеспечивающая пиковую мощность около 50 кВт при длительности импульса 10 мкс. Антенны Яги использовались как для передачи, так и для приема.
Первые полевые испытания « Редута » прошли в октябре 1939 года на полигоне недалеко от Севастополя , украинского порта на побережье Черного моря . Частично эти испытания должны были показать НККФ (ВМФ СССР) ценность радиолокации раннего предупреждения для защиты стратегических портов. При установке оборудования на скале на высоте около 160 метров над уровнем моря летающая лодка была обнаружена на дальностях до 150 км. Антенны Яги были расположены на расстоянии около 1000 метров; таким образом, для синхронизации их действий требовалась тесная координация. Усовершенствованная версия «Редута», «Редут-К», была разработана Акселем Бергом в 1940 году и размещена на борту легкого крейсера «Молотов» в апреле 1941 года. «Молотов» стал первым советским военным кораблем, оснащенным радаром. [48]
В НИИ-9 под руководством Бонч-Бруевича ученые разработали два типа весьма совершенных СВЧ-генераторов. В 1938 году Николаем Девятковым на основе харьковских разработок была разработана линейно-лучевая вакуумная лампа с модулированной скоростью ( клистрон ). Это устройство производило около 25 Вт на диапазоне 15–18 см (2,0–1,7 ГГц) и позже использовалось в экспериментальных системах. Следом за этим Девятков разработал более простое однорезонаторное устройство ( рефлекторный клистрон ). В это же время Д. Е. Маляров и Н. Ф. Алексеев строили серию магнетронов, также на основе харьковских проектов; лучший из них выдавал 300 Вт на расстоянии 9 см (3 ГГц).
Также в НИИ-9 на Стогова Д.С. возложили ответственность за усовершенствование системы «Бистро» . Переименованный в Ревен (Ревень), он был испытан в августе 1938 года, но оказался лишь незначительно лучше предшественника. После дополнительных незначительных эксплуатационных доработок она была преобразована в мобильную систему под названием « Радио Улавливатель Самолетов» (РУС, Радиоловец самолетов), вскоре получившую обозначение РУС-1 . Эта бистатическая система непрерывного действия имела установленный на грузовике передатчик, работающий на частоте 4,7 м (64 МГц), и два установленных на грузовике приемника.
Хотя передатчик РУС-1 находился в кабине в задней части грузовика, антенну пришлось натягивать между внешними опорами, прикрепленными к земле. Второй грузовик с электрогенератором и другим оборудованием был прижат к грузовику с передатчиком. Использовались два приемника, каждый в кабине грузовика, с дипольной антенной на вращающейся опоре, выдвинутой над головой. При использовании приемные тележки располагались на расстоянии примерно 40 км друг от друга; таким образом, имея две позиции, можно было бы приблизительно оценить дальность путем триангуляции на карте.
Система РУС-1 прошла испытания и была запущена в производство в 1939 году, затем поступила на вооружение в 1940 году, став первой развернутой радиолокационной системой в Красной Армии. Около 45 систем РУС-1 были построены на заводе «Светлана» в Ленинграде до конца 1941 года и развернуты вдоль западных границ СССР и на Дальнем Востоке. Однако без возможности прямой дальности военные сочли, что РУС-1 не имеет особой ценности.
Еще до свертывания работ в Ленинграде НИИИС-КА заключил контракт с УИПТ в Харькове на исследование импульсной радиолокационной системы для зенитных целей. Это побудило ЛЕМО в марте 1937 года начать проект с внутренним финансированием под кодовым названием «Зенит» (популярная в то время футбольная команда). Разработкой передатчика руководил Усиков, поставщик магнетрона, использовавшегося ранее на «Буре» . Для «Зенита» Усиков использовал магнетрон длиной 60 см (500 МГц), работающий в импульсах длительностью 10–20 мкс и обеспечивающий импульсную мощность 3 кВт, позже увеличенную почти до 10 кВт. Семен Брауде руководил разработкой супергетеродинного приемника, использующего перестраиваемый магнетрон в качестве гетеродина . Система имела отдельные передающие и приемные антенны, установленные на расстоянии около 65 м друг от друга и состоящие из диполей, поддерживаемых 3-метровыми параболическими отражателями .
Впервые «Зенит» прошел испытания в октябре 1938 года. При этом бомбардировщик средних размеров был обнаружен на дальности 3 км. За испытаниями наблюдал НИИИС-КА, и их оказалось достаточно для начала работ по контракту. В мае 1939 года было заключено соглашение, определяющее требуемые характеристики и призывающее к тому, чтобы система была готова к производству к 1941 году. Была увеличена мощность передатчика, к антеннам были добавлены селективные датчики, позволяющие им отслеживать, а чувствительность приемника была улучшена на в качестве гетеродина используется желудевый триод RCA 955 .
Демонстрация усовершенствованного «Зенита» была проведена в сентябре 1940 года. При этом было показано, что дальность, высота и азимут самолета, летящего на высотах от 4000 до 7000 метров, могут быть определены на расстоянии до 25 км. Однако время, необходимое для этих измерений, составило около 38 секунд, что слишком долго для использования зенитными батареями. Кроме того, когда антенны были направлены под малым углом, на некотором расстоянии существовала мертвая зона, вызванная помехами от отражений от уровня земли. Хотя такие характеристики не были удовлетворительными для непосредственной наводки, это была первая полноценная трехкоординатная радиолокационная система в Советском Союзе, которая указала путь для будущих систем. [49]
В ЛЭМО продолжались работы над «Зенитом» , в частности по переоборудованию его в одноантенную систему, получившую обозначение «Рубин» . Однако эти усилия были сорваны вторжением Германии в СССР в июне 1941 года. Вскоре строительную деятельность в Харькове было приказано эвакуировать на Дальний Восток. Аналогичным образом были рассредоточены исследовательские усилия в Ленинграде. [50]
После восьми лет усилий высококвалифицированных физиков и инженеров СССР вступил во Вторую мировую войну, не имея полностью развитой и развернутой радиолокационной системы.
Будучи мореплавающей страной, Япония рано проявила интерес к беспроводной (радио) связи. Первое известное использование беспроводного телеграфа в войне на море было осуществлено Императорским флотом Японии при разгроме Российского императорского флота в 1904 году в битве при Порт-Артуре . На раннем этапе возник интерес к оборудованию для радиопеленгации , которое можно было использовать как в навигации, так и в военном наблюдении. В 1921 году Имперский флот разработал для этой цели превосходный приемник, и вскоре этим оборудованием было оснащено большинство японских военных кораблей.
За два десятилетия между двумя мировыми войнами радиотехнологии в Японии достигли такого же уровня развития, как и в западных странах. Однако часто возникали препятствия при передаче этих достижений в вооруженные силы. Долгое время японцы считали, что у них лучшая боеспособность среди всех вооруженных сил в мире. Военачальники, которые тогда также контролировали правительство, искренне считали, что построенных ими вооружений, самолетов и кораблей вполне достаточно и что в их нынешнем виде японская армия и флот непобедимы. В 1936 году Япония присоединилась к нацистской Германии и фашистской Италии в Тройственном пакте .
Радиотехника была сильна в высших учебных заведениях Японии, особенно в императорских (финансируемых государством) университетах. Это включало обучение в бакалавриате и магистратуре, а также академические исследования в этой области. Особые отношения были установлены с зарубежными университетами и институтами, особенно в Германии, причем японские преподаватели и исследователи часто выезжали за границу для повышения квалификации.
Академические исследования были направлены на улучшение базовых технологий, а не на их конкретные приложения. Были проведены значительные исследования высокочастотных и мощных генераторов, таких как магнетрон , но применение этих устройств обычно оставалось на усмотрение промышленных и военных исследователей.
Одним из самых известных радиоисследователей Японии 1920–1930-х годов был профессор Хидэцугу Яги . После аспирантуры в Германии, Англии и Америке Яги поступил в Университет Тохоку , где его исследования были сосредоточены на антеннах и генераторах для высокочастотной связи. Краткое изложение исследовательской работы в области радио в Университете Тохоку было изложено в основополагающей статье Яги 1928 года. [51]
Совместно с Синтаро Уда , одним из первых докторантов Яги, появилась радикально новая антенна. Она имела ряд паразитных элементов (директоров и рефлекторов) и стала известна как антенна Яги-Уда или Яги . Патент США, выданный в мае 1932 года, был передан RCA . На сегодняшний день это наиболее широко используемая направленная антенна в мире.
Магнетрон с резонатором также заинтересовал Яги. Это ВЧ- устройство (~10 МГц) было изобретено в 1921 году Альбертом У. Халлом из General Electric , и Яги был убежден, что оно может работать в диапазоне ОВЧ или даже в диапазоне УВЧ . В 1927 году Киндзиро Окабе , еще один из первых докторантов Яги, разработал устройство с разделенным анодом, которое в конечном итоге генерировало колебания на длинах волн примерно до 12 см (2,5 ГГц).
Исследователи из других японских университетов и институтов также начали проекты по разработке магнетрона, что привело к усовершенствованию устройства с разделенным анодом. В их число входили Киёси Морита из Токийского технологического института и Цунео Ито из Университета Тококу .
Сигэру Накадзима из Japan Radio Company (JRC) увидел коммерческий потенциал этих устройств и начал дальнейшую разработку и последующее очень прибыльное производство магнетронов для рынка медицинского диэлектрического нагрева (диатермии). Единственный военный интерес к магнетронам проявил Ёдзи Ито из Военно-морского технического исследовательского института (НТИ).
NTRI был основан в 1922 году и начал свою полную работу в 1930 году. Расположенный в Мэгуро, Токио , недалеко от Токийского технологического института, первоклассные ученые, инженеры и техники занимались разнообразной деятельностью: от проектирования гигантских подводных лодок до создания новых радиоламп. . Включены все предшественники радаров, но это не означало, что руководители Имперского флота приняли эти достижения.
В 1936 году Цунео Ито (не имеющий отношения к Ёдзи Ито) разработал магнетрон с 8-раздельным анодом, который производил около 10 Вт на длине волны 10 см (3 ГГц). За внешний вид его назвали Тачибана (или Мандарин, оранжевый цитрусовый фрукт). Цунео Ито также присоединился к NTRI и продолжил свои исследования магнетронов вместе с Ёдзи Ито. В 1937 году они разработали метод соединения соседних сегментов (так называемый «тяни-толкай»), что привело к стабильности частоты, что стало чрезвычайно важным прорывом в магнетроне.
К началу 1939 года NTRI и JRC совместно разработали 10-сантиметровый (3 ГГц) магнетрон мандаринского типа со стабильной частотой (№ М3), который при водяном охлаждении мог производить мощность 500 Вт. В тот же период были построены магнетроны с 10 и 12 резонаторами, работающими на длине волны всего 0,7 см (40 ГГц). Конфигурация магнетрона М3 была по существу такой же, как и та, которая позже использовалась в магнетроне, разработанном Бутом и Рэндаллом в Бирмингемском университете в начале 1940 года, включая усовершенствование связанных резонаторов. Однако, в отличие от мощного магнетрона в Великобритании, первое устройство NTRI вырабатывало всего несколько сотен ватт. [52]
В целом в Японии не было недостатка в научных и инженерных возможностях; их военные корабли и самолеты явно демонстрировали высокий уровень технической компетентности. Они опередили Великобританию в разработке магнетронов, а их антенна Яги стала мировым стандартом для УКВ-систем. Просто высшие военачальники не смогли понять, какую пользу может иметь применение радиосвязи для обнаружения и определения дальности – то, что часто называли радиодальномером (RRF), особенно в любой оборонительной роли; нападение, а не защита, полностью доминировали в их мышлении.
В 1938 году инженеры исследовательского бюро Nippon Electric Company ( NEC ) проводили тесты покрытия высокочастотных передатчиков, когда наблюдалось быстрое затухание сигнала. Это происходило всякий раз, когда самолет пересекал линию между передатчиком и приемным счетчиком. Масацугу Кобаяши, менеджер отдела ламп NEC, признал, что это произошло из-за интерференции частоты биений прямого сигнала и сигнала с доплеровским сдвигом, отраженного от самолета.
Кобаяши предположил в Армейском научно-исследовательском институте, что это явление можно использовать в качестве метода предупреждения самолетов. Хотя армия отвергла более ранние предложения по использованию методов радиообнаружения, это предложение имело привлекательность, поскольку было основано на легко понятном методе и требовало небольших затрат на разработку и риска для доказательства своей военной ценности. NEC поручила Кинджи Сатаке из своего научно-исследовательского института разработать систему под названием «Бистатический допплеровский детектор помех» (BDID).
Для тестирования прототипа системы он был установлен на территории, недавно оккупированной Японией, вдоль побережья Китая. Система работала в диапазоне 4,0–7,5 МГц (75–40 м) и включала ряд широко разнесенных станций; это сформировало радиоэкран, который мог обнаружить присутствие (но не более того) самолета на расстоянии до 500 км (310 миль). BDID была первой развернутой системой радиообнаружения Имперской армии, введенной в эксплуатацию в начале 1941 года.
Похожая система была разработана Сатаке для родины Японии. Информационные центры получали устные предупреждения от операторов станций BDID, обычно расположенных на расстоянии от 65 до 240 км (от 40 до 150 миль). Чтобы уменьшить уязвимость при наведении, что является большим страхом для военных, передатчики работали с мощностью всего в несколько ватт. Хотя изначально они предназначались для временного использования до тех пор, пока не появятся более совершенные системы, они продолжали работать на протяжении всей войны. Лишь после начала войны Имперская армия получила оборудование, которое можно было бы назвать радаром. [53]
В середине 1930-х годов некоторые технические специалисты Императорского флота заинтересовались возможностью использования радиосвязи для обнаружения самолетов. За консультацией они обратились к профессору Яги, который был директором Лаборатории радиоисследований Императорского университета Осаки. Яги предположил, что это можно сделать, исследуя доплеровский сдвиг частоты в отраженном сигнале.
Финансирование было предоставлено лаборатории Осаки для экспериментального исследования этого метода. Киндзиро Окабе, изобретатель магнетрона с разделенным анодом, который последовал за Яги в Осаку, возглавил эту работу. Теоретический анализ показал, что отражения были бы сильнее, если бы длина волны была примерно такой же, как размер конструкций самолета. Таким образом, для эксперимента использовались передатчик и приемник УКВ с антеннами Яги, разнесенными на некотором расстоянии.
В 1936 году Окабе успешно обнаружил пролетающий самолет методом доплеровской интерференции; это была первая зарегистрированная демонстрация обнаружения самолетов по радио в Японии. Благодаря этому успеху исследовательские интересы Окабе переключились с магнетронов на УКВ-оборудование для обнаружения целей. Однако это не привело к сколько-нибудь существенному финансированию. Высшие эшелоны Имперского Флота считали, что любое преимущество использования радио для этой цели значительно перевешивается перехватом противника и раскрытием присутствия отправителя.
Исторически сложилось так, что военные корабли в строю использовали огни и звуковые сигналы, чтобы избежать столкновения ночью или в тумане. Также могли использоваться новые методы УКВ-радиосвязи и пеленгации, но все эти методы были очень уязвимы для перехвата противником. В NTRI Йоджи Ито предложил использовать УВЧ-сигнал от магнетрона для создания очень узкого луча, который значительно снизил бы вероятность обнаружения противника.
Разработка микроволновой системы предотвращения столкновений началась в 1939 году, когда Имперский флот предоставил JRC финансирование для предварительных экспериментов. Совместными усилиями Йоджи Ито из NTRI и Сигэру Накадзимы из JRC было спроектировано и изготовлено устройство, использующее 3-сантиметровый (10 ГГц) магнетрон с частотной модуляцией. Оборудование использовалось в попытке обнаружить отражения от высоких сооружений на расстоянии нескольких километров. Этот эксперимент дал плохие результаты, что связано с очень низкой мощностью магнетрона.
Первоначальный магнетрон был заменен магнетроном, работающим на длине волны 16 см (1,9 ГГц) и значительно большей мощности. Тогда результаты были намного лучше, и в октябре 1940 года оборудование уловило четкие эхо-сигналы от корабля в Токийском заливе на расстоянии около 10 км (6,2 мили). Высшие военно-морские чиновники Японии по-прежнему не давали никаких обязательств по использованию этой технологии на борту военных кораблей. Больше ничего на тот момент сделано не было, но в конце 1941 года система была принята для ограниченного использования.
В конце 1940 года Япония организовала две технические миссии с посещением Германии и обменом информацией о своих разработках в области военных технологий. Командующий Ёдзи Ито представлял интерес ВМФ к радиоприменению, а подполковник Кинджи Сатаке сделал то же самое для армии. В течение нескольких месяцев визита они обменялись значительной информацией общего характера, а также ограниченным количеством секретных материалов по некоторым технологиям, но мало что касалось непосредственно методов радиообнаружения. Ни одна из сторон даже не упомянула магнетроны, но немцы, по-видимому, не раскрыли факт использования импульсных методов.
После получения отчетов по техническому обмену в Германии, а также донесений разведки об успехах Великобритании в стрельбе с использованием РСО, Генеральный штаб ВМФ изменил свою позицию и в предварительном порядке принял технологию передачи импульсов. 2 августа 1941 года, еще до возвращения Ёдзи Ито в Японию, были выделены средства на первоначальную разработку радаров с импульсной модуляцией. За начало этой деятельности отвечал командующий Тюджи Хашимото из NTRI.
Прототип установки, работающий на частоте 4,2 м (71 МГц) и мощностью около 5 кВт, был построен в аварийном режиме. Под руководством NTRI большой вклад в эту работу внесли фирма NEC и Исследовательская лаборатория Японской радиовещательной корпорации ( NHK ). Кенджиро Такаянаги , главный инженер экспериментальной телевизионной станции NHK, которого называли «отцом японского телевидения», особенно помог в быстрой разработке схем формирования импульсов и синхронизации, а также дисплея приемника. В начале сентября 1941 года опытный образец прошел первые испытания; он обнаружил одиночный бомбардировщик на расстоянии 97 км (60 миль) и полет самолета на расстоянии 145 км (90 миль).
Эта система, первый в Японии полноценный радиодальномер (RRF - радар), получила обозначение Mark 1 Model 1. Контракты на серийное производство были заключены с тремя фирмами; NEC построила передатчики и импульсные модуляторы, Japan Victor — приемники и соответствующие дисплеи, а Fuji Electrical — антенны и их сервоприводы. Система работала на высоте 3,0 м (100 МГц) с пиковой мощностью 40 кВт. Дипольные решетки с отражателями типа «матовый+» использовались в отдельных передающих и приемных антеннах.
В ноябре 1941 года первый изготовленный RRF был принят на вооружение в качестве наземной системы раннего предупреждения в Кацууре, Тиба , городе на тихоокеанском побережье, примерно в 100 км (62 милях) от Токио. Большая система, она весила около 8700 кг (19000 фунтов). Дальность обнаружения составляла около 130 км (81 миль) для одиночных самолетов и 250 км (160 миль) для групп. [54]
Раннее радиообнаружение в Нидерландах осуществлялось по двум независимым направлениям: одно - микроволновая система фирмы Philips , а другое - система УКВ в лаборатории вооруженных сил. [55]
Компания Philips в Эйндховене , Нидерланды, управляла лабораторией Natuurkundig ( NatLab ) для фундаментальных исследований, связанных с ее продукцией. Исследователь NatLab Клаас Постумус разработал магнетрон, разделенный на четыре элемента. [56] При разработке системы связи с использованием этого магнетрона компания CHJA Staal тестировала передачу, используя параболические передающую и приемную антенны, установленные рядом, обе направлены на большую тарелку на некотором расстоянии. Для преодоления нестабильности частоты магнетрона использовалась импульсная модуляция. Выяснилось, что пластинка отражала сильный сигнал.
Признавая потенциальную важность этого устройства обнаружения, NatLab организовала демонстрацию для Koninklijke Marine ( Королевский флот Нидерландов ). Это было проведено в 1937 году напротив входа в главный военно-морской порт Марсдип . Отражения от морских волн скрыли возвращение корабля-мишени, но ВМФ был достаточно впечатлен, чтобы начать спонсировать исследование. В 1939 году в Вейк-ан-Зее был продемонстрирован улучшенный комплект, обнаруживший судно на расстоянии 3,2 км (2,0 мили).
Прототип системы был построен компанией Philips, а фирма Nederlandse Seintoestellen Fabriek (дочерняя компания Philips) начала планы по созданию цепочки станций оповещения для защиты основных портов. Были проведены некоторые полевые испытания прототипа, но проект был прекращен, когда Германия вторглась в Нидерланды 10 мая 1940 года. Однако в NatLab работа продолжалась в условиях большой секретности до 1942 года .
В начале 1930-х годов ходили широко распространенные слухи о разработке «луча смерти». Голландский парламент создал Комитет по применению физики в оружии под руководством Г. Дж. Элиаса для изучения этого потенциала, но комитет быстро отклонил смертельные лучи. Тем не менее, Комитет учредил Лабораторию voor Fysieke Ontwikkeling (LFO, Лаборатория физического развития), предназначенную для поддержки Вооруженных сил Нидерландов.
Действуя в условиях большой секретности, LFO открыло объект под названием Meetgebouw (Измерительный корпус), расположенный на равнине Ваалсдорп. В 1934 году JLWC фон Вейлер присоединился к LFO и вместе с С.Г. Гратамой начал исследования системы связи 1,25 м (240 МГц), которая будет использоваться при корректировке артиллерии. [58]
В 1937 году, когда проводились испытания этой системы, сигнал нарушила пролетающая стая птиц. Понимая, что это может быть потенциальным методом обнаружения самолетов, военный министр приказал продолжить эксперименты. Вейлер и Гратама приступили к разработке системы наведения прожекторов и наведения зенитных орудий.
Экспериментальное «электрическое прослушивающее устройство» работало на расстоянии 70 см (430 МГц) и использовало импульсную передачу с частотой RPF 10 кГц. Схема блокировки приема-передачи была разработана для обеспечения возможности использования общей антенны. Принятый сигнал отображался на трубке CR с круговой временной разверткой. Этот комплект был продемонстрирован армии в апреле 1938 года и обнаружил самолет на расстоянии 18 км (11 миль). Однако этот комплект был отклонен, поскольку он не мог выдержать суровые условия армейских боевых действий.
Военно-морской флот оказался более восприимчивым. Для окончательной разработки было предоставлено финансирование, и в команду был добавлен Макс Стаал. Для сохранения секретности разработку разделили на части. Передатчик был построен в Делфтском техническом колледже , а приемник — в Лейденском университете . Десять комплектов будут собраны под личным руководством JJA Schagen van Leeuwen, главы фирмы Hazemeijer Fabriek van Signaalapparaten.
Прототип имел пиковую мощность 1 кВт, длительность импульса от 2 до 3 мкс и частоту повторения импульсов от 10 до 20 кГц. Приемник представлял собой супергетеродинный тип с использованием ламп Acorn и каскада ПЧ 6 МГц. Антенна состояла из 4 рядов по 16 полуволновых диполей, окруженных сетчатым экраном размером 3 на 3 метра. Для вращения антенны оператор использовал привод велосипедного типа, а высоту можно было менять с помощью рукоятки. [59]
Было построено несколько комплектов, один из которых был введен в эксплуатацию на Маливелде в Гааге незадолго до захвата Нидерландов Германией в мае 1940 года. Комплекс работал хорошо, обнаруживая самолеты противника в первые дни боев. Чтобы предотвратить захват, действующие подразделения и планы системы были уничтожены. Фон Вейлер и Макс Стаал бежали в Англию на борту одного из последних кораблей, способных уйти, взяв с собой два разобранных комплекта. Позже Гратама и ван Леувен также сбежали в Англию.
В 1927 году французские физики Камилла Гуттон и Эмиль Пьере экспериментировали с магнетронами и другими устройствами, генерирующими длину волны до 16 см. Сын Камиллы, Анри Гаттон, работал в Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF), где он и Роберт Уорнек усовершенствовали магнетроны своего отца.
В 1934 году, после систематических исследований магнетрона, исследовательское отделение CSF, возглавляемое Морисом Понте, подал заявку на патент на устройство, предназначенное для обнаружения препятствий с помощью непрерывного излучения ультракоротких волн, создаваемого магнетроном. [60] Это все еще были системы CW, и их обнаружение зависело от доплеровских помех. Однако, как и у большинства современных радаров, антенны были расположены рядом. [61] Прибор измерял расстояние и азимут, но не напрямую, как в более позднем «радаре» на экране (1939 г.). Тем не менее, это был первый патент на действующую аппаратуру радиодетектирования, использующую сантиметровые длины волн.
Система была испытана в конце 1934 года на борту грузового корабля «Орегон» с двумя передатчиками, работающими на длинах волн 80 см и 16 см. Береговые линии и лодки были обнаружены на расстоянии 10–12 морских миль. Для окончательного проекта была выбрана самая короткая длина волны, которой уже в середине 1935 года был оснащен лайнер SS Normandie для оперативного использования.
В конце 1937 года Морис Эли из SFR разработал передающие лампы с импульсной модуляцией. Это привело к созданию новой 16-см системы с пиковой мощностью около 500 Вт и длительностью импульса 6 мкс. Патенты Франции и США были поданы в декабре 1939 года. [62] Планировалось, что систему будут испытывать в море на борту «Нормандии» , но это было отменено с началом войны.
В то же время Пьер Давид из Национальной лаборатории радиоэлектричества (ЛНР) экспериментировал с отраженными радиосигналами на длине волны около метра. Начиная с 1931 года он заметил, что самолеты создают помехи сигналам. Затем ЛНР начала исследование метода обнаружения, называемого электромагнитным заграждением (электромагнитная завеса). Хотя это могло указать общее место проникновения, точное определение направления и скорости было невозможно.
В 1936 году Défense Aérienne du Territoire (Защита воздушной территории) провела испытания электромагнитной завесы Дэвида. В ходе испытаний система обнаружила большую часть приближающихся самолетов, но слишком многие были пропущены. По мере приближения войны необходимость обнаружения самолетов стала критической. Дэвид осознал преимущества импульсной системы и в октябре 1938 года разработал систему с импульсной модуляцией частотой 50 МГц и пиковой импульсной мощностью 12 кВт. Его построила фирма САДИР. [63]
Франция объявила войну Германии 3 сентября 1939 года, и возникла острая потребность в системе раннего предупреждения. Система SADIR была доставлена недалеко от Тулона и обнаружила и измерила дальность вторжения самолетов на расстояние до 55 км (34 миль). Импульсная система SFR была установлена недалеко от Парижа, где она обнаруживала самолеты на расстоянии до 130 км (81 миль). Однако наступление немцев было подавляющим, и пришлось принять чрезвычайные меры; Франции было уже слишком поздно разрабатывать радары в одиночку, и было решено, что ее открытия будут переданы ее союзникам.
В середине 1940 года Морис Понте из лаборатории CSF в Париже представил магнетрон с резонатором, разработанный Анри Гаттоном из SFR (см. Выше), лабораториям GEC в Уэмбли , Великобритания. Этот магнетрон был рассчитан на импульсную работу на длине волны 16 см. В отличие от других конструкций магнетронов того времени, таких как магнетрон Бутса и Рэндалла (см. материалы Великобритании выше), в этой трубке использовался катод с оксидным покрытием с пиковой выходной мощностью 1 кВт, демонстрируя, что оксидные катоды были решением для производства высокопроизводительных мощные импульсы на коротких длинах волн - проблема, которая годами ускользала от британских и американских исследователей. Значение этого события было подчеркнуто Эриком Мего в обзоре ранних разработок радаров в 1946 году: «Это было отправной точкой использования оксидного катода практически во всех наших последующих импульсных передающих волнах и, как таковое, было значительным вкладом в британскую Радар. Дата была 8 мая 1940 года». [64] Усовершенствованная версия этого магнетрона достигла пиковой мощности 10 кВт к августу 1940 года. Именно эта модель, в свою очередь, была передана американцам в знак доброй воли [65] во время переговоров, проведенных Тизардом . Делегация в 1940 году получила от США ресурсы, необходимые Британии для полного использования военного потенциала ее научно-исследовательских работ.
Гульельмо Маркони инициировал в Италии исследование технологии радиообнаружения. В 1933 году, участвуя со своей итальянской фирмой в экспериментах с линией связи на частоте 600 МГц через Рим, он заметил помехи в передаче, вызванные движущимися объектами, расположенными рядом с ее путем. Это привело к разработке в его лаборатории в Корнельяно системы непрерывного доплеровского обнаружения с частотой 330 МГц (0,91 м), которую он назвал радиоэкометро . Трубки Баркгаузена – Курца использовались как в передатчике, так и в приемнике.
В мае 1935 года Маркони продемонстрировал свою систему фашистскому диктатору Бенито Муссолини и членам военного Генерального штаба; однако выходная мощность была недостаточной для использования в военных целях. Хотя демонстрация Маркони вызвала значительный интерес, с его аппаратом было сделано немного больше.
Муссолини поручил дальнейшее развитие технологии радиообнаружения, и она была поручена Regio Istituto Elettrotecnico e delle Comunicazioni (RIEC, Королевский институт электротехники и связи). RIEC был основан в 1916 году на территории Итальянской военно-морской академии в Ливорно . Руководить проектом по совместительству было поручено лейтенанту Уго Тиберио , преподавателю физики и радиотехники Академии. [66]
Тиберио подготовил отчет о разработке экспериментального аппарата, который он назвал telemetro radiofonico del rivelatore (RDT, Радиодетекторная телеметрия). Отчет, представленный в середине 1936 года, включал то, что позже стало известно как уравнение дальности действия радара. Когда работа уже началась, к ответственному за разработку передатчика RDT был назначен Нелло Каррара , преподаватель гражданской физики, проводивший в RIEC исследования в области микроволн [67] .
До конца 1936 года Тиберио и Каррара продемонстрировали EC-1, первую итальянскую систему RDT. У него был FM- передатчик, работающий на частоте 200 МГц (1,5 м), с одной параболической цилиндрической антенной. Он обнаруживается путем смешивания переданного и отраженного сигналов с доплеровским сдвигом, что приводит к возникновению звукового сигнала.
EC-1 не обеспечивал измерение дальности; Чтобы добавить эту возможность, в 1937 году была начата разработка импульсной системы. К группе присоединился капитан Альфео Брандимарте , который разработал первую импульсную систему EC-2. Он работал на частоте 175 МГц (1,7 м) и использовал одну антенну, состоящую из нескольких равнофазных диполей. Обнаруженный сигнал предназначался для отображения на осциллографе. Было много проблем, и система так и не дошла до стадии тестирования.
Затем работа перешла к разработке более высокой мощности и рабочих частот. Каррара в сотрудничестве с фирмой FIVRE разработала устройство, подобное магнетрону. Он состоял из пары триодов, соединенных с резонатором, и производил мощность 10 кВт на частоте 425 МГц (70 см). Он использовался при проектировании двух модификаций ИС-3: корабельной и береговой обороны. [68]
Италия, присоединившись к Германии, вступила во Вторую мировую войну в июне 1940 года без действующего РДТ. Макет EC-3 был построен и испытан на крыше здания Академии, но большая часть работ RDT была остановлена, поскольку прямая поддержка войны имела приоритет.
В начале 1939 года британское правительство пригласило представителей наиболее технически развитых стран Содружества посетить Англию для брифингов и демонстраций совершенно секретной технологии RDF (радар). Исходя из этого, к сентябрю 1939 года разработки RDF были начаты в Австралии, Канаде, Новой Зеландии и Южной Африке. Кроме того, эта технология была самостоятельно разработана в Венгрии в начале военного периода.
Австралия: Лаборатория радиофизики в Австралии была создана в Сиднейском университете при Совете по научным и промышленным исследованиям; Джон Х. Пиддингтон отвечал за разработку RDF. Первым проектом была система береговой обороны на частоте 200 МГц (1,5 м) для австралийской армии . Обозначенный ШД, он впервые был испытан в сентябре 1941 года и в конечном итоге установлен в 17 портах. После нападения японцев на Перл-Харбор Королевским ВВС Австралии срочно понадобилась система воздушного оповещения, и команда Пидингтона, взяв за основу ShD, за пять дней собрала AW Mark I. Его устанавливали в Дарвине, Северная территория , когда 19 февраля 1942 года Австралия подверглась первой японской атаке. Вскоре он был переоборудован в легкую транспортабельную версию LW-AW Mark II; он использовался австралийскими войсками, а также армией США при первых высадках на острова в южной части Тихого океана. [69]
Канада: Первые разработки RDF в Канаде проводились в Секции радио Национального исследовательского совета Канады . Используя коммерческие компоненты и практически без какой-либо дополнительной помощи со стороны Великобритании, Джон Таскер Хендерсон возглавил команду по разработке «Ночного сторожа» — системы надводного предупреждения для Королевского военно-морского флота Канады, предназначенной для защиты входа в гавань Галифакса . Успешно испытанный в июле 1940 года, этот комплект работал на частоте 200 МГц (1,5 м), имел выходную мощность 1 кВт с длительностью импульса 0,5 мкс и использовал относительно небольшую фиксированную антенну. За этим последовала корабельная установка, получившая обозначение Surface Warning 1st Canadian (SW1C), с антенной, вращавшейся вручную с помощью рулевого колеса Chevrolet в кабине оператора. SW1C впервые был испытан в море в середине мая 1941 года, но его характеристики были настолько плохими по сравнению с корабельным радаром модели 271 Королевского флота, что Королевский флот Канады в конечном итоге принял на вооружение британский 271 вместо SW1C. [70]
Для береговой обороны канадской армии была разработана установка на 200 МГц с передатчиком, аналогичным «Ночному сторожу». Обозначенный как CD, он использовал большую вращающуюся антенну на вершине деревянной башни высотой 70 футов (21 м). КР вступила в строй в январе 1942 года. [71]
Новая Зеландия : Эрнест Марсден представлял Новую Зеландию на брифингах в Англии, а затем открыл два центра для разработки RDF – один в Веллингтоне в радиоотделе Центрального почтового отделения Новой Зеландии, а другой в Кентерберийском университетском колледже в Крайстчерче . Чарльз Н. Уотсон-Манро руководил разработкой наземных и воздушных декораций в Веллингтоне, а Фредерик У. Уайт руководил разработкой корабельных декораций в Крайстчерче.
К концу 1939 года группа Веллингтона переоборудовала существующий передатчик на частоте 180 МГц (1,6 м) и мощностью 1 кВт для генерации импульсов длительностью 2 мкс и протестировала его для обнаружения крупных судов на расстоянии до 30 км; это было обозначено CW (береговое наблюдение). Аналогичный набор, получивший обозначение CD (Coast Defense), использовал ЭЛТ для отображения и имел лепестковое переключение приемной антенны; он был развернут в Веллингтоне в конце 1940 года. Частично завершенный комплект ASV 200 МГц был доставлен из Великобритании компанией Marsden, а другая группа в Веллингтоне превратила его в комплект самолетов для Королевских ВВС Новой Зеландии ; Впервые он был запущен в начале 1940 года. В Крайстчерче работало меньше персонала, и работа шла медленнее, но к июлю 1940 года была испытана установка мощностью 5 кВт на частоте 430 МГц (70 см) и мощностью 5 кВт. Два типа, получившие обозначение SW (Ship Warning) и SWG (Ship Warning, Gunnery), были приняты на вооружение Королевских военно-морских сил Новой Зеландии, начиная с августа 1941 года. Всего во время Второй мировой войны в Новой Зеландии было разработано около 44 типов. [72]
Радиолокационные системы разрабатывались с 1939 года; Первоначально производилась в Новой Зеландии, но затем (из-за трудностей с поиском компонентов) производилась в Великобритании. Переносные радиолокационные установки GCI были развернуты в Тихом океане, в том числе одна с персоналом RNZAF на американском аэродроме Хендерсон-Филд, Гуадалканал, в сентябре 1942 года, где американские установки SCR 270-B не могли определять высоту и были недостаточны для частых японских ночных налетов. В первой половине 1943 года дополнительные новозеландские радиолокационные подразделения и персонал были отправлены в Тихий океан по запросу КОМОСПАК адмирала Хэлси. [73]
У Южной Африки не было представителя на встречах 1939 года в Англии, но в середине сентября, когда Эрнест Марсден возвращался на корабле в Новую Зеландию, Бэзил Ф. Дж. Шонланд поднялся на борт и провел трехдневные брифинги. Шонланд, мировой авторитет в области молний и директор Института геофизики Бернарда Прайса при Университете Витватерсранда , немедленно приступил к разработке RDF с использованием любительских радиокомпонентов и оборудования института для мониторинга молний. Обозначенная JB (от Йоханнесбурга ), мобильная система мощностью 90 МГц (3,3 м) и мощностью 500 Вт была испытана в ноябре 1939 года, всего через два месяца после ее запуска. Прототип эксплуатировался в Дурбане до конца 1939 года, обнаруживая корабли и самолеты на расстоянии до 80 км, а к марту следующего года система была принята на вооружение зенитных бригад Сил обороны ЮАР . [74]
Венгрия: Золтан Лайош Бэй в Венгрии был профессором физики Будапештского технического университета , а также директором по исследованиям Egyesult Izzolampa (IZZO), фирмы по производству радио- и электротехники. В конце 1942 года министр обороны поручил IZZO разработать систему радиолокации ( radiólokáció , радар). Используя журнальные статьи по ионосферным измерениям для получения информации об импульсной передаче, Бэй разработал систему под названием Sas (Орёл) на базе существующего коммуникационного оборудования.
Sas работал на частоте 120 МГц (2,5 м) и находился в кабине с отдельными передающими и приемными дипольными решетками; вся сборка происходила на вращающейся платформе. Согласно опубликованным данным, система была испытана в 1944 году на вершине горы Янош и имела дальность действия «более 500 км». Второй Sas был установлен в другом месте. Нет никаких признаков того, что какая-либо установка Sas когда-либо находилась в регулярной эксплуатации. После войны Бэй использовал модифицированный Sas, чтобы успешно передать сигнал с Луны. [75]
В начале Второй мировой войны в сентябре 1939 года и Великобритания, и Германия знали о продолжающихся усилиях друг друга в области радионавигации и мерах противодействия ей – « Битве лучей ». Кроме того, обе страны в целом были осведомлены о разработках друг друга в области радиообнаружения и слежения и активно интересовались ими, а также участвовали в активной кампании шпионажа и ложных утечек об их соответствующем оборудовании. Ко времени битвы за Британию обе стороны развернули устройства дальности и пеленгации (радары) и станции управления как часть интегрированного потенциала противовоздушной обороны. Однако немецкие системы Funkmessgerät (радиоизмерительные приборы) не могли помочь в наступательной роли и поэтому не получили поддержки Адольфа Гитлера . Кроме того, Люфтваффе недостаточно оценило важность британских станций дальномера и пеленгации (RDF) как части средств противовоздушной обороны Королевских ВВС , что способствовало их провалу.
В то время как Великобритания и Германия лидировали в довоенных достижениях в использовании радиосвязи для обнаружения и слежения за самолетами, в Соединенных Штатах, Советском Союзе и Японии также были разработки. Будут обобщены системы военного времени во всех этих странах. Аббревиатура RADAR (от RAdio Detection And Ranging) была придумана ВМС США в 1940 году, и последующее название «радар» вскоре стало широко использоваться. Поисковые радары XAF и CXAM были разработаны Военно-морской исследовательской лабораторией и стали первыми действующими радарами на флоте США, произведенными RCA.
Когда Франция только что пала под нацистами , а у Британии не было денег для разработки магнетрона с резонатором в массовом масштабе, Черчилль согласился, что сэр Генри Тизард должен предложить магнетрон с резонатором американцам в обмен на их финансовую и промышленную помощь ( Миссия Тизарда ). . Ранняя версия мощностью 6 кВт , построенная в Англии исследовательскими лабораториями компании General Electric , Уэмбли , Лондон (не путать с американской компанией General Electric с таким же названием), была передана правительству США в сентябре 1940 года. Британский магнетрон представлял собой в тысячи раз мощнее лучшего американского передатчика того времени и выдавал точные импульсы. [76] В то время самый мощный аналог микроволнового производителя, доступный в США (клистрон), имел мощность всего десять ватт. Магнетрон с резонатором широко использовался во время Второй мировой войны в микроволновом радиолокационном оборудовании, и ему часто приписывают то, что он дал радарам союзников значительное преимущество в производительности перед немецкими и японскими радарами, что напрямую повлияло на исход войны. Позже известный историк Джеймс Финни Бакстер III описал его как «самый ценный груз, когда-либо доставленный к нашим берегам». [77]
Телефонные лаборатории Белла изготовили производственную версию магнетрона, доставленного в Америку миссией Тизард, а к концу 1940 года на территории Массачусетского технологического института была создана радиационная лаборатория для разработки различных типов радаров с использованием магнетрон. К началу 1941 года переносные бортовые радары сантиметрового диапазона испытывались на американских и британских самолетах. [76] В конце 1941 года Научно-исследовательский институт телекоммуникаций в Великобритании использовал магнетрон для разработки революционного бортового радара для картографии местности под кодовым названием H2S ; и был частично разработан Аланом Блюмлейном и Бернардом Ловеллом . Магнетронные радары, используемые США (например, H2X ) и Великобританией, могли обнаружить перископ подводной лодки .
Вторая мировая война, давшая толчок резкому развитию радаров, закончилась между союзниками и Германией в мае 1945 года, а в августе последовала Япония. В результате радарная деятельность в Германии и Японии прекратилась на несколько лет. В других странах, особенно в США, Великобритании и СССР, в политически нестабильные послевоенные годы продолжалось совершенствование радаров для военного применения. Фактически, все эти три страны приложили значительные усилия по привлечению ученых и инженеров из Германии для работы над своими программами создания оружия; в США это было в рамках операции «Скрепка» .
Еще до окончания войны были инициированы различные проекты, направленные на невоенное применение радаров и тесно связанных с ними технологий. Военно-воздушные силы США и британские ВВС во время войны добились успехов в использовании радаров для управления посадкой самолетов, и это быстро распространилось на гражданский сектор. Область радиоастрономии была одной из смежных технологий; хотя оно было обнаружено до войны, оно сразу же процветало в конце 1940-х годов, когда многие ученые по всему миру сделали новую карьеру, основываясь на своем опыте работы с радиолокаторами.
В конце 1940-х — начале 1950-х годов были разработаны четыре метода, имеющие большое значение для послевоенных радаров: импульсный доплеровский, моноимпульсный, фазированная решётка и синтезированная апертура; первые три были известны и даже использовались во время военных разработок, но были доработаны позже.
Одним из первых применений цифровых компьютеров было переключение фазы сигнала в элементах больших антенн с фазированной решеткой. По мере появления компьютеров меньшего размера их быстро стали применять для цифровой обработки сигналов с использованием алгоритмов улучшения характеристик радаров.
Других достижений в области радиолокационных систем и приложений, произошедших за десятилетия после Второй мировой войны, слишком много, чтобы их можно было включить в этот список. Следующие разделы предназначены для предоставления репрезентативных образцов.
В Соединенных Штатах Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института официально закрылась в конце 1945 года. Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) и армейская лаборатория сигналов Эванса продолжили новую деятельность по разработке сантиметровых радаров. Военно-воздушные силы США ( ВВС США), отделенные от армии в 1946 году, сосредоточили радиолокационные исследования в своем Кембриджском исследовательском центре (CRC) в Хэнском-Филд , штат Массачусетс. В 1951 году Массачусетский технологический институт открыл Лабораторию Линкольна для совместных разработок с CRC. В то время как Bell Telephone Laboratories приступила к серьезной модернизации средств связи, они продолжали держать армию под контролем своей продолжающейся программы противовоздушной обороны Nike.
В Великобритании Научно-исследовательский центр телекоммуникаций ВВС Великобритании (TRE) и Армейский научно-исследовательский центр радиолокации (RRDE) продолжали работать на сокращенных уровнях в Малверне, Вустершир , а затем в 1953 году были объединены в Научно-исследовательский центр радиолокации. В 1948 году все исследования и разработки в области радио- и радиолокации Королевского флота были объединены в Адмиралтейское учреждение сигналов и радиолокаторов , расположенное недалеко от Портсмута , Хэмпшир . СССР, хоть и опустошенный войной, сразу же приступил к разработке новых вооружений, в том числе радаров.
В период холодной войны после Второй мировой войны основная «ось» боевых действий сместилась между Соединенными Штатами и Советским Союзом . К 1949 году обе стороны имели ядерное оружие на бомбардировщиках. Чтобы обеспечить раннее предупреждение об атаке, обе страны развернули огромные радиолокационные сети все более сложной сложности во все более отдаленных местах. На Западе первой такой системой была « Линия Пайнтри» , развернутая по всей Канаде в начале 1950-х годов и подкрепленная радиолокационными пикетами на кораблях и нефтяных платформах у восточного и западного побережья.
Линия Пайнтри первоначально использовала старинные импульсные радары и вскоре была дополнена линией Средней Канады (MCL). Усовершенствования советских технологий сделали эти линии неадекватными, и в рамках строительного проекта с участием 25 000 человек в 1957 году была завершена Линия дальнего раннего предупреждения (Линия DEW). Протянувшаяся от Аляски до Баффинова острова и покрывающая протяженность более 6 000 миль (9 700 км), Линия DEW состоял из 63 станций с мощными импульсными радарами L-диапазона AN/FPS-19, большинство из которых были дополнены импульсно-доплеровскими системами AN/FPS-23. Советский Союз испытал свою первую межконтинентальную баллистическую ракету (МБР) в августе 1957 года, и через несколько лет роль раннего предупреждения почти полностью перешла к более мощной линии DEW.
И США, и Советский Союз тогда имели межконтинентальные баллистические ракеты с ядерными боеголовками, и каждая из них приступила к разработке крупной системы противоракетной обороны (ПРО). В СССР это был «Факел В-1000», и для него разработали мощные радиолокационные системы. В конечном итоге она была развернута вокруг Москвы как система противоракетной обороны А-35 при поддержке радаров, обозначенных НАТО как « Кошачий домик» , «Собачий домик» и «Курятник».
В 1957 году армия США приступила к созданию системы ПРО под названием Nike-X; она прошла через несколько названий и в конечном итоге стала Программой гарантий . Для этого существовал радар обнаружения периметра дальнего действия (PAR) и более точный радар ракетной площадки меньшего радиуса действия (MSR). [82]
PAR размещался в ядерно-защищенном здании высотой 128 футов (39 м) с наклоном одной стороны на 25 градусов и обращенным на север. Он содержал 6888 антенных элементов, разделенных на передающие и приемные фазированные решетки. В передатчике L-диапазона использовались 128 долговечных ламп бегущей волны (ЛБВ), общая мощность которых составляла мегаваттный диапазон. PAR мог обнаруживать приближающиеся ракеты за пределами атмосферы на расстоянии до 1800 миль (2900 км).
MSR имел структуру усеченной пирамиды длиной 80 футов (24 м), каждая грань которой содержала фазированную антенную решетку диаметром 13 футов (4,0 м) и содержала 5001 элемент решетки, используемый как для передачи, так и для приема. Работая в S-диапазоне, передатчик использовал два клистрона, работающие параллельно, каждый мощностью на уровне мегаватт. MSR мог искать цели со всех направлений, захватывая их на расстоянии до 300 миль (480 км).
Один объект Safeguard, предназначенный для защиты ракетных шахт межконтинентальных баллистических ракет «Минитмен» возле авиабазы Гранд-Форкс в Северной Дакоте , был наконец завершен в октябре 1975 года, но Конгресс США отозвал все финансирование после того, как он был введен в эксплуатацию всего лишь на один день. В течение следующих десятилетий армия и ВВС США разработали множество крупных радиолокационных систем, но давно прослужившая BTL прекратила военные разработки в 1970-х годах.
Современный радар, разработанный ВМС США, — AN/SPY-1 . Впервые введенная в эксплуатацию в 1973 году, эта система S-диапазона мощностью 6 МВт прошла через ряд вариантов и является основным компонентом боевой системы Aegis . Это автоматическая система обнаружения и отслеживания, которая управляется компьютером с помощью четырех дополнительных трехмерных пассивных антенных решеток с электронным сканированием, обеспечивающих полусферическое покрытие.
Радиолокационные сигналы, распространяющиеся по прямой видимости , обычно имеют дальность до наземных целей, ограниченную видимым горизонтом или менее 10 миль (16 км). Воздушные цели могут быть обнаружены наземными радарами на больших дальностях, но в лучшем случае на нескольких сотнях миль. С момента появления радио было известно, что сигналы соответствующих частот (от 3 до 30 МГц) могут «отражаться» от ионосферы и приниматься на значительных расстояниях. С появлением дальних бомбардировщиков и ракет возникла необходимость в радарах раннего предупреждения на больших расстояниях. В начале 1950-х годов команда Военно-морской исследовательской лаборатории разработала для этой цели загоризонтный радар (OTH) .
Чтобы отличить цели от других отражений, пришлось использовать фазово-доплеровскую систему. Необходимо было разработать очень чувствительные приемники с малошумящими усилителями . Поскольку сигнал, идущий к цели и возвращающийся, имел потери при распространении, пропорциональные дальности, возведенной в четвертую степень, требовался мощный передатчик и большие антенны. Для анализа данных был необходим цифровой компьютер со значительными возможностями (новый в то время). В 1950 году их первая экспериментальная система смогла обнаружить запуски ракет на расстоянии 600 миль (970 км) на мысе Канаверал и облако от ядерного взрыва в Неваде на расстоянии 1700 миль (2700 км).
В начале 1970-х годов совместный американо-британский проект под кодовым названием Cobra Mist использовал радар OTH мощностью 10 МВт в Орфорднессе (родина британского радара), Англия, в попытке обнаружить запуски самолетов и ракет над западной частью СССР. Из-за соглашений США и СССР по ПРО от этого отказались в течение двух лет. [83] В тот же период Советы разрабатывали аналогичную систему; это успешно обнаружило пуск ракеты на высоте 2500 км (1600 миль). К 1976 году она превратилась в оперативную систему под названием «Дуга » («Дуга» на английском языке), но известную западной разведке как Steel Yard, а радиолюбители и другие лица, пострадавшие от ее помех, называли ее «Дятел» — по оценкам, передатчик имел мощность мощностью 10 МВт. [84] Австралия, Канада и Франция также разработали радиолокационные системы OTH.
С появлением спутников с возможностями раннего предупреждения военные потеряли большую часть своего интереса к радарам OTH. Однако в последние годы эта технология была вновь активирована для обнаружения и отслеживания морских перевозок в таких приложениях, как морская разведка и борьба с наркотиками.
Для загоризонтного обнаружения также были разработаны системы, использующие альтернативную технологию. Из-за дифракции поверхностные электромагнитные волны рассеиваются позади объектов, и эти сигналы могут быть обнаружены в направлении, противоположном мощному излучению. Россия использует такую систему для наблюдения за Японским морем , а Канада имеет систему наблюдения за прибрежными районами.
В послевоенные годы началось революционное развитие управления воздушным движением (УВД) – внедрение радаров. В 1946 году Управление гражданской авиации (CAA) представило экспериментальную радиолокационную вышку для управления гражданскими полетами. К 1952 году CAA начало впервые регулярно использовать радар для управления подходом и вылетом. Четыре года спустя он разместил крупный заказ на радары дальнего действия для использования в службах УВД на маршруте ; на больших высотах они могли видеть самолеты на расстоянии до 200 морских миль (370 км). В 1960 году от самолетов, летающих в определенных районах, стало необходимо иметь радиолокационный ответчик , который идентифицировал самолет и помогал улучшить характеристики радара. С 1966 года ответственное агентство называется Федеральным управлением гражданской авиации (ФАУ).
Терминал радиолокационного контроля захода на посадку (TRACON) — это средство УВД, обычно расположенное вблизи крупного аэропорта. В ВВС США он известен как RAPCON (Радарный контроль за приближением), а в ВМС США как RATCF (Радарный центр управления воздушным движением). Обычно TRACON управляет самолетами в радиусе от 30 до 50 морских миль (от 56 до 93 км) от аэропорта на высоте от 10 000 до 15 000 футов (от 3 000 до 4 600 м). При этом используется один или несколько радаров наблюдения за аэропортом (ASR-8, 9 и 11, ASR-7 устарел), просматривающих небо каждые несколько секунд. Эти первичные радары ASR обычно работают в паре со вторичными радарами (запросчиками радиолокационных маяков воздушного движения или ATCBI) типов ATCBI-5, Mode S или MSSR. В отличие от первичного радара, вторичный радар опирается на транспондер на борту самолета, который принимает запрос с земли и отвечает соответствующим цифровым кодом, который включает идентификатор самолета и сообщает высоту самолета. Принцип аналогичен военному МКФ « Опознание свой-чужой» . Антенная решетка вторичного радара расположена на тарелке первичного радара на месте радара, причем обе они вращаются со скоростью примерно 12 оборотов в минуту.
Цифровой радар наблюдения за аэропортом (DASR) — это новая радиолокационная система TRACON, заменяющая старые аналоговые системы цифровой технологией. Гражданская номенклатура этих радаров — АСР-9 и АСР-11, а AN/GPN-30 используется военными.
В АСР-11 включены две радиолокационные системы. Первичной является система S-диапазона (~ 2,8 ГГц) с импульсной мощностью 25 кВт. Он обеспечивает трехмерное отслеживание самолета-мишени, а также измеряет интенсивность дождя. Вторичная система представляет собой систему P-диапазона (~ 1,05 ГГц) с пиковой мощностью около 25 кВт. Он использует набор транспондеров для опроса самолетов и получения оперативных данных. Антенны обеих систем вращаются на вершине высокой башни. [85]
Во время Второй мировой войны операторы военных радаров заметили шум в отраженных эхо-сигналах, вызванный такими погодными элементами, как дождь, снег и мокрый снег . Сразу после войны военные ученые вернулись к гражданской жизни или продолжили службу в Вооруженных силах и продолжили свою работу по разработке способов использования этого эха. В США Дэвид Атлас [ 86] сначала для группы ВВС , а затем для Массачусетского технологического института разработал первые оперативные метеорологические радары. В Канаде Дж. С. Маршалл и Р. Х. Дуглас сформировали «Группу штормовой погоды» [87] » в Монреале. Маршалл и его докторант Уолтер Палмер хорошо известны своей работой по распределению размеров капель дождя в средних широтах, которая привела к пониманию зависимости ZR, которая коррелирует заданную отражательную способность радара со скоростью, с которой вода падает на землю. В Соединенном Королевстве продолжались исследования по изучению характеров радиолокационных эхо-сигналов и погодных элементов, таких как слоистый дождь и конвективные облака , а также проводились эксперименты по оценке потенциала различных длин волн от 1 до 10 сантиметров.
Между 1950 и 1980 годами метеорологические службы по всему миру построили радары отражательной способности, которые измеряют положение и интенсивность осадков. В Соединенных Штатах Бюро погоды США , созданное в 1870 году с конкретной задачей обеспечивать метеорологические наблюдения и уведомлять о приближающихся штормах, разработало WSR-1 (Радар наблюдения за погодой-1), один из первых метеорологических радаров. Это была модифицированная версия радара AN/APS-2F , которую Метеорологическое бюро приобрело у ВМФ. WSR-1A, WSR-3 и WSR-4 также были вариантами этого радара. [88] За этим последовал WSR-57 (Радар наблюдения за погодой – 1957 г.) был первым метеорологическим радаром, разработанным специально для национальной сети предупреждения. Используя технологию Второй мировой войны, основанную на электронных лампах, он давал только грубые данные об отражательной способности и не давал никакой информации о скорости. Работая на частоте 2,89 ГГц (S-диапазон), он имел пиковую мощность 410 кВт и максимальную дальность действия около 580 миль (930 км). AN/FPS-41 было военным обозначением WSR-57.
Первым метеорологам приходилось наблюдать за электронно-лучевой трубкой . В 1970-е годы радары начали стандартизироваться и объединяться в более крупные сети. Следующим значительным изменением в США стала серия WSR-74 , начавшая эксплуатацию в 1974 году. Существовало два типа: WSR-74S, предназначенный для замены и заполнения пробелов в национальной сети WSR-57, и WSR-74C, в первую очередь для местного использования. Оба были основаны на транзисторах, и их основное техническое отличие обозначалось буквой S-диапазон (лучше подходит для дальнего действия) и C-диапазон соответственно. До 1990-х годов по всей стране было распространено 128 радаров моделей WSR-57 и WSR-74.
В тот же период были разработаны первые устройства для захвата радиолокационных изображений. Количество углов сканирования было увеличено, чтобы получить трехмерное изображение осадков, чтобы можно было выполнять горизонтальные поперечные сечения ( CAPPI ) и вертикальные. Тогда исследования организации гроз стали возможны для проекта «Град Альберты» в Канаде и Национальной лаборатории сильных штормов (NSSL) в США, в частности. NSSL, созданная в 1964 году, начала эксперименты с сигналами двойной поляризации и использованием эффекта Доплера . В мае 1973 года торнадо опустошил Юнион-Сити, штат Оклахома , к западу от Оклахома-Сити . Впервые доплеровский радар с длиной волны 10 см от NSSL задокументировал весь жизненный цикл торнадо. [89] Исследователи обнаружили мезомасштабное вращение в облаке наверху до того, как торнадо коснулся земли: сигнатура торнадо-вихря . Исследования NSSL помогли убедить Национальную метеорологическую службу в том, что доплеровский радар является важнейшим инструментом прогнозирования. [89]
Между 1980 и 2000 годами сети метеорологических радиолокаторов стали нормой в Северной Америке, Европе, Японии и других развитых странах. Обычные радары были заменены доплеровскими радарами, которые помимо положения и интенсивности могли отслеживать относительную скорость частиц в воздухе. В Соединенных Штатах строительство сети, состоящей из радаров с длиной волны 10 см (4 дюйма), получившей название NEXRAD или WSR-88D (доплеровский радар метеорологической службы 1988 года), было начато в 1988 году после исследований NSSL. [89] В Канаде Министерство окружающей среды Канады построило к 1985 году станцию Кинг-Сити , [90] с пятисантиметровым исследовательским доплеровским радаром; Университет Макгилла допплерировал свой радар ( Радарная обсерватория Дж. С. Маршалла ) в 1993 году. Это привело к созданию полной канадской доплеровской сети [91] в период с 1998 по 2004 год. Франция и другие европейские страны перешли на доплеровскую сеть к концу 1990-х - началу 2000-х годов. Тем временем быстрый прогресс в области компьютерных технологий привел к появлению алгоритмов обнаружения признаков суровой погоды и множеству «продуктов» для средств массовой информации и исследователей.
После 2000 года исследования технологии двойной поляризации перешли в оперативное использование, увеличив объем доступной информации о типах осадков (например, дождь или снег). «Двойная поляризация» означает, что излучается микроволновое излучение, поляризованное как горизонтально, так и вертикально (относительно земли). Широкомасштабное развертывание ожидается к концу десятилетия в некоторых странах, таких как США, Франция, [92] и Канада.
С 2003 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований США экспериментирует с радаром с фазированной решеткой в качестве замены обычной параболической антенны для обеспечения большего временного разрешения при зондировании атмосферы . Это было бы очень важно при сильных грозах, поскольку их развитие можно лучше оценить с помощью более своевременных данных.
Также в 2003 году Национальный научный фонд учредил Инженерный исследовательский центр совместного адаптивного зондирования атмосферы «CASA», междисциплинарное межуниверситетское сотрудничество инженеров, ученых-компьютерщиков, метеорологов и социологов для проведения фундаментальных исследований и разработки передовых технологий. и развернуть прототипы инженерных систем, предназначенных для дополнения существующих радиолокационных систем путем отбора проб нижних слоев тропосферы, как правило, с недостаточной выборкой с помощью недорогих, быстрых радаров с двойной поляризацией, механическим сканированием и радарами с фазированной решеткой.
Индикатор положения в плане , появившийся на заре радаров и до сих пор являющийся наиболее распространенным типом дисплея, отображает карту целей, окружающих местонахождение радара. Если антенна радара самолета направлена вниз, создается карта местности, и чем больше антенна, тем выше разрешение изображения. После появления сантиметровых радаров радары направленного вниз обзора — H2S (L-диапазон) и H2X (C-диапазон) — предоставляли карты в реальном времени, используемые США и Великобританией при бомбардировках Европы ночью и сквозь густые облака.
В 1951 году Карл Уайли возглавил команду Goodyear Aircraft Corporation (позже Goodyear Aerospace ) по разработке метода значительного расширения и улучшения разрешения изображений, генерируемых радаром. Называемая радаром с синтезированной апертурой (SAR), антенна обычного размера, прикрепленная к борту самолета, используется с очень сложной обработкой сигнала для получения изображения, для которого в противном случае потребовалась бы сканирующая антенна гораздо большего размера; отсюда и название синтетическая апертура. Каждый импульс излучается по боковой полосе на местность. Возврат растянут во времени из-за отражений от объектов на разных расстояниях. Движение аппарата по траектории полета дает приращения по горизонтали. Амплитуда и фаза возвратных сигналов комбинируются процессором сигналов с использованием методов преобразования Фурье при формировании изображения. Общая техника очень близка к оптической голографии .
За прошедшие годы было создано множество вариаций SAR, что привело к появлению разнообразных приложений. В первоначальных системах обработка сигналов была слишком сложной для работы на борту; сигналы были записаны и обработаны позже. Затем были опробованы процессоры, использующие оптические методы, для генерации изображений в реальном времени, но достижения в области высокоскоростной электроники теперь позволяют выполнять встроенные процессы для большинства приложений. Ранние системы давали разрешение в десятки метров, но более поздние бортовые системы обеспечивают разрешение около 10 см. Современные сверхширокополосные системы имеют разрешение в несколько миллиметров.
Существует множество других послевоенных радиолокационных систем и приложений. Будут отмечены лишь некоторые.
Самым распространенным радиолокационным устройством сегодня, несомненно, является радар . Это небольшой, обычно портативный, доплеровский радар , который используется для определения скорости объектов, особенно грузовиков и автомобилей при регулировании дорожного движения, а также брошенных бейсбольных мячей, бегунов или других движущихся объектов в спорте. Это устройство также можно использовать для измерения поверхностной скорости воды и непрерывно производимых материалов. Радар не возвращает информацию о положении объекта; он использует эффект Доплера для измерения скорости цели. Впервые разработанные в 1954 году, большинство радаров работают с очень малой мощностью в диапазонах X или Ku. Некоторые используют инфракрасное излучение или лазерный свет; их обычно называют ЛИДАР . Сопутствующая технология измерения скорости в текущих жидкостях или газах называется лазерной доплеровской велосиметрией ; эта технология датируется серединой 1960-х годов.
Поскольку на начальном этапе разрабатывались импульсные радары, рассматривалось использование очень узких импульсов. Длина импульса определяет точность измерения расстояния радаром: чем короче импульс, тем выше точность. Кроме того, для данной частоты повторения импульсов (PRF) более короткий импульс приводит к более высокой пиковой мощности. Гармонический анализ показывает, что чем уже импульс, тем шире полоса частот, содержащая энергию, поэтому такие системы также называют широкополосными радарами. Вначале электроника для генерации и приема этих импульсов не была доступна; таким образом, изначально никаких применений этого не было.
К 1970-м годам достижения в области электроники привели к возобновлению интереса к тому, что часто называли короткоимпульсным радаром. С дальнейшим развитием стало практичным генерировать импульсы, имеющие ширину того же порядка, что и период радиочастотной несущей (T = 1/f). Сейчас это обычно называют импульсным радаром.
Первое значительное применение этой технологии было в георадаре (георадаре). Разработанный в 1970-х годах, георадар сейчас используется для анализа фундаментов, археологического картирования, поиска сокровищ, идентификации неразорвавшихся боеприпасов и других неглубоких исследований. Это возможно, поскольку импульсный радар может точно определить границы между общей средой (почвой) и желаемой целью. Результаты, однако, не уникальны и во многом зависят от навыков оператора и последующей интерпретации данных.
В сухой или благоприятной почве и камнях часто возможно проникновение на глубину до 300 футов (91 м). Для измерений расстояний на этих коротких расстояниях передаваемый импульс обычно имеет длительность всего один радиочастотный цикл; При несущей 100 МГц и частоте повторения импульсов 10 кГц (типовые параметры) длительность импульса составляет всего 10 нс (наносекунда). что приводит к обозначению «импульс». В продаже имеются различные георадарные системы в ранцевом и колесном исполнении с импульсной мощностью до киловатта. [93]
С дальнейшим развитием электроники стали возможными системы с длительностью импульсов, измеряемой пикосекундами . Области применения столь же разнообразны, как датчики безопасности и движения, устройства обнаружения стоек зданий, устройства предупреждения столкновений и мониторы сердечной динамики. Некоторые из этих устройств размером со спичечный коробок оснащены долговечным источником питания. [94]
Пока разрабатывался радар, астрономы рассматривали возможность его применения для наблюдения Луны и других близлежащих внеземных объектов. В 1944 году Золтан Лайош Бэй поставил перед собой эту главную задачу, разрабатывая радар в Венгрии. Его радарный телескоп был забран победившей Советской армией, и его пришлось восстанавливать, что отложило эксперимент. В рамках проекта «Диана» , реализуемого Армейской сигнальной лабораторией Эванса в Нью-Джерси, модифицированный радар SCR-271 (версия SCR -270 с фиксированным положением ), работающий на частоте 110 МГц с пиковой мощностью 3 кВт, использовался для приема эхо-сигналов от Луна 10 января 1946 года. [95] Золтан Бэй совершил это 6 февраля следующего года. [96]
Радиоастрономия также зародилась после Второй мировой войны, и многие ученые, занимавшиеся разработкой радаров, затем занялись этой областью. В последующие годы был построен ряд радиообсерваторий; однако из-за дополнительных затрат и сложности использования передатчиков и соответствующего приемного оборудования очень немногие из них были посвящены радиолокационной астрономии. Фактически, вся основная деятельность в области радиолокационной астрономии проводилась в качестве дополнения к радиоастрономическим обсерваториям.
Радиотелескоп обсерватории Аресибо , открытый в 1963 году, был крупнейшим в мире. Принадлежащий Национальному научному фонду США и управляемый подрядчиком, он использовался в основном для радиоастрономии, но имелось оборудование и для радиолокационной астрономии. Сюда входили передатчики, работающие на частотах 47 МГц, 439 МГц и 2,38 ГГц, все с очень высокой импульсной мощностью. Он имеет закрепленный на месте основной отражатель длиной 305 м (1000 футов) ; вторичный отражатель находится на рельсах, что позволяет точно наводить его на различные части неба. Многие важные научные открытия были сделаны с помощью радиолокационного телескопа Аресибо, включая картографирование неровностей поверхности Марса и наблюдения Сатурна и его крупнейшего спутника Титана . В 1989 году обсерватория впервые в истории получила радиолокационное изображение астероида .
После отказа вспомогательного и основного кабеля телескопа в августе и ноябре 2020 года соответственно NSF объявил о решении вывести телескоп из эксплуатации путем контролируемого сноса, но другие объекты обсерватории останутся работоспособными в будущем. Однако до того, как произошел безопасный вывод телескопа из эксплуатации, оставшиеся опорные тросы одной башни утром 1 декабря 2020 года быстро вышли из строя, в результате чего инструментальная платформа провалилась сквозь тарелку, срезав верхушки опорных башен и частично повредив некоторые другие здания, хотя пострадавших нет. NSF заявил, что они по-прежнему намерены как можно скорее ввести в эксплуатацию другие объекты обсерватории и рассматривают планы по восстановлению нового телескопа на его месте.
Несколько космических кораблей, вращающихся вокруг Луны, Меркурия, Венеры, Марса и Сатурна, оснащены радарами для картографирования поверхности; В миссии «Марс-Экспресс» использовался наземный радар . Радарные системы ряда самолетов и орбитальных космических кораблей нанесли на карту всю Землю для различных целей; В ходе миссии по радиолокационной топографии «Шаттла» вся планета была нанесена на карту с разрешением 30 метров.
Обсерватория Джодрелл-Бэнк , подразделение Манчестерского университета в Великобритании, изначально была основана Бернардом Ловеллом как центр радиолокационной астрономии. Первоначально он использовал радиолокационную систему GL-II, использованную во время войны, работающую на частоте 71 МГц (4,2 м). Первые наблюдения были за ионизированными следами метеорного потока Геминиды в декабре 1945 года. Хотя вскоре объект превратился в третью по величине радиообсерваторию в мире, некоторые радиолокационные астрономические исследования продолжались. Самый большой (250 футов или 76 метров в диаметре) из трех полностью управляемых радиотелескопов начал работать как раз вовремя, чтобы слежения за первым искусственным спутником Спутника-1 , в октябре 1957 года. [97]
Но к 1940 году именно британцы совершили впечатляющий прорыв: магнетрон с резонансным резонатором, радарный передатчик, гораздо более мощный, чем его предшественники... Магнетрон ошеломил американцев. Их исследования отставали на годы.
Le principe Fondamental du Radar appartient au patrimoine commun des Physiciens: ce qui demeure en fin de compte au crédit réel des techniciens se mesure à la réalisation effect de matériels opérationnels
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )