Широкое применение радаров испытывает терпение регулирующих органов

31 августа 2016

Как государство относится к изобретениям из области РЛС? Как развивались эти отношения? Какими могут быть последствия использования РЛС в гражданской сфере? Эти вопросы возникают в моей голове каждый раз, когда упоминается радиолокация. В очередной раз бороздя просторы интернета на предмет «чего бы почитать», нашла увлекательную статью об истории отношения к радиолокации со стороны государства. Статья была опубликована в журнале «IEEE Spectrum» в 2015 году, однако на ее актуальности это никак не отражается.

Вот ссылка на первоисточник, а мы постарались перевести ее для Вас на русский максимально подробно, не упуская мельчайших деталей.

Приятного чтения!

Федеральной комиссии по связям США, в частности, необходимо сделать требования к радарам более дружелюбными для инноваций. Лазарь Митчелл

Фото: Броувни Харрис/Корбис «Отражая волны»: Техник работает на доплеровском метеорологическом радиолокаторе, который находится внутри большого купола.

В тридцатые годы 20 века, во время подготовки Европы к войне, Британское правительство отчаянно нуждалось в способе обнаружения приближения вражеских самолетов. И оно его получило, благодаря инженеру Роберту Уотсон-Уотту, который разработал и успешно испытал примитивную радиолокационную систему в 1935г.

К моменту Битвы за Британию в 1940 году, сеть радиолокационных станций, раскинувшаяся по всему южному и восточному побережью Великобритании, обеспечивала достаточную информацию о приближении бомбардировщиков Люфтваффе, давая гражданскому населению время найти укрытие под землей, а пилотам ВВС поднять истребители в воздух.

Признавая заслуги Уотсон-Уотта король Георг VI посвятил его в рыцари в 1942г. Некоторые историки считают, что только благодаря ему Британия выжила в те тяжелые времена.

Около 15 лет спустя, когда Уотсон-Уотту было 60 лет, а я был подростком, он выступал в моей Канадской средней школе. Самой интересной частью его рассказа для нас была его история о том, как он был остановлен за превышение скорости.

Он прочел нам стих, который сочинил во время ожидания рассмотрения своего дела:

Pity Sir Robert Watson-Watt,
strange target of this radar plot

And thus, with others I can mention,
the victim of his own invention.

His magical all-seeing eye
enabled cloud-bound planes to fly

but now by some ironic twist
it spots the speeding motorist

and bites, no doubt with legal wit,
the hand that once created it.

Фото: Халтон-Дойч Коллекция/Корбис «Изобретатель радара»: Роберт Уотсон-Уотт во времена разработки первой радиолокационной системы.

Полицейские радары для измерения скорости, действительно, первое, что придет на ум большинству, если Вы спросите о пользе радаров, помимо обнаружения воздушных судов. По факту радар оказался чрезвычайно универсальной технологией, в настоящее время ее используют в автомобилях, для определения погоды, для воздушной разведки, даже для того, чтобы видеть сквозь стены. Однако, несмотря на значительное и стремительное расширение области применения радаров, государственные регулирующие органы, в том числе в Соединённых Штатах, с трудом поспевают отслеживать новинки.

Их деятельность очень важна, так как проволочки с их стороны могут замедлить темпы внедрения инноваций. Если у Вас есть какие-либо сомнения, читайте дальше, чтобы узнать насколько глубоко радары внедрились в холст современного индустриального общества, несмотря на то, что они рассмотрены здесь в свете проблематичной нормативно-правовой среды. Это поучительная история, и, хотя рассмотрены всего лишь радары, проблема существует и для многих других технологий, таких как дроны, программы, отмечающие передвижение, криптовалюта, а также многие другие.

Большая часть изобретений в области радиолокации времен Второй Мировой войны хранится в радиолокационной лаборатории Массачусетского университета – непосредственного предшественника до сих пор активной исследовательской лаборатории электроники. Вклад США помог сделать оборудование радара более эффективным и надежным, а также значительно снизить размеры. Компактная модель, электронные компоненты которой по размерам не больше обувной коробки, предупреждала пилотов истребителей о приближении противника с тыла. Этому устройству так же нашли другие применения во время войны: ядерные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были оборудованы четырьмя подобными приспособлениями, помогающими отслеживать дистанцию до земли, для детонирования на заданной высоте.

Область РЛС стремительно развивалась после войны, и наряду с совершенствованием систем военного назначения, были быстро найдены гражданские применения: контроль воздушного и морского движения. С тех пор в течении десятилетий этот список значительно пополнился.

Фото: Бэттманн/Корбис; Антонио Фуччи/radiomilitari.com, Бэттманн/Корбис «Военные корни радара»: Радар направлял военно-морских летчиков, работавших на авианосце USS Essex в 1945 года [слева], компактный радар APS13[справа сверху] был использован в некоторых истребителях той эпохи, а также для высотного зондирования в первых атомных бомбах. Радар был доработан во время холодной войны, позволив сканировать воздушное пространство на предмет надвигающегося ядерного удара (Форт-Мид, штат Мэриленд, 1957 год) [справа снизу].

В наши дни технологии построения радаров подразделяются на две большие группы. Первая группа – прямой отголосок радаров военного времени, эти радары обладают зоной покрытия до сотен километров за счет концентрации высокой мощности передачи в узком диапазоне радиочастот. Вторая группа включает в себя системы, которые работают на более низких мощностях и на значительно меньших расстояниях.

Теперь рассмотрим радиолокацию. Это довольно просто: направить радиоволну на цель и измерить сколько времени уходит на возврат эха. Время возвращения отраженного сигнала позволяет определить дистанцию до цели. А направление антенны, принимающей отраженный сигнал, указывает направление цели.

Точность ваших измерений зависит, конечно, от электроники. Конструкторы радаров во времена Второй Мировой войны были вынуждены бороться с ограничениями, накладываемыми электронными лампами. Появление транзисторов в послевоенные годы повысило рабочую частоту, что позволило создать более узкие лучи от небольших антенн, что, в свою очередь, увеличило дальность и точность. Более чувствительные приемники дополнительно увеличили рабочее расстояние.

Достижения в области технологии дисплеев так же имеют важное значение. Уотсон-Уотт и его команда использовали дисплеи, извлеченные из лабораторных осциллографов. Горизонтальный след начинал двигаться по экрану, когда сигнал покидал передатчик и отклонялся вертикально, создавая «всплеск», когда сигнал возвращался. Горизонтальное расстояние от начальной точки до всплеска указывало на дальность до цели. Это работало, но задача постоянно наблюдать за всплесками в «траве» (шум) быстро утомляла операторов радаров, что увеличивало риск ошибки.

Во время холодной войны правительства США и Канады установили линию раннего предупреждения: цепь из 63 радиолокационных станций по всей Арктике на территории двух стран для обнаружения вторгающихся советских бомбардировщики как можно быстрее, чтобы начать ответный удар. Предвидя, что пропущенные или ложные сигналы могут стать катастрофой, конструкторы разработали автоматическое отображение сигнала системы обнаружения для подстраховки связистов. Более поздние приложения, такие как радары, предотвращающие столкновение в авиации или самотормозящие системы в автомобилях, все чаще стали зависеть от автоматического отклика.

Фото: АР фото «Дистанционная система раннего оповещения»: Станции линии ДСРО использовались для определения ядерной угрозы.

Область применения радиолокации резко расширилась с применением эффекта Доплера. Электромагнитная волна, отраженная от встречной цели, возвращается на более высокой частоте. Точно так же, отдаляющаяся цель отражает сигнал с меньшей частотой. Разница между частотами передаваемых и принимаемых сигналов показывает скорость объекта относительно антенны радара. Данная разница всегда мала. Например, цель, приближающаяся со скоростью 100 км/ч, повышает получаемую частоту менее чем на один к пяти миллионам. К счастью, инженерам давно известно, как создавать схемы, которые могут точно сравнить почти одинаковые частоты.

Самые ранние варианты доплеровского радара просто измеряли исходную скорость, как полицейский радар, поймавший Уотсона-Уотта в 1950-е году. Если бы не появление микропроцессоров многие поистине удивительные улучшения произошли бы гораздо позже, скорее всего для этого потребовалось бы еще лет 20. Например, эффект Доплера может быть использован для активизации углового разрешения в синтезированной апертуре, которая принимает несколько радиолокационных сканирований с движущейся платформы, таких как самолёт или космический корабль, и комбинирует их в то, что выглядит как ИК-фотография. Эта технология идеально подходит для разведки: она может выявить вражеские объекты в полной темноте и сквозь облачный покров или листву. Мирное же использование включает мониторинг озер или речного льда, ледников, агрокультуры, вырубки лесов и эрозии береговой линии, а также отслеживание лесных пожаров, наводнений, извержений вулканов и разливов нефти.

Метеорологический радар Доплера, знакомый телезрителям и любителям интернет-прогнозов, измеряет расстояние и поперечную скорость падения частиц дождя и снега, позволяя синоптикам построить изменяющееся расположение бурь и ветров, в которых они циркулировали. Подобная система позволяет даже исследовать надвигающиеся штормы. Некоторые версии сравнивают отражение от вертикальных и горизонтальных поляризованных сигналов, чтобы различить дождь, град или снег. Эти радары могут также предупреждать о приближении торнадо, основываясь на содержании мусора в воздухе, месторасположение вихря и вычислять его скорость в реальном времени. Подобные РЛС используется в некоторых аэропортах, для отслеживания активности мелких частиц в воздухе, чтобы определять сдвиг ветра, при игнорировании которого может произойти крушение самолета при посадке или взлете с возможным летальным исходом.

Полиция и другие службы экстренного реагирования имеют доступ к иному типу доплеровского радара, который видит сквозь стены здания, чтобы определить местонахождение заложников или похитителей. Данный вид радара даже может обнаружить дыхание жертвы, находящейся без сознания. Различные конфигурации помогают найти людей, запертых под обломками рухнувшего здания. Другой вид, используемый в рудниках, определяет подземные слои горных пород и следит за нестабильностью в местности, что позволяет предугадать оползни.

И это только то, что уже существует. Следующие поколения радаров будут обнаруживать птиц возле ветровых электростанций, чтобы уменьшить смертность птиц путем прекращения движения лопастей турбин при их приближении. Подобные радары, установленные возле аэропортов, могли бы предотвратить такие инциденты, как вынужденная посадка авиалайнера на Гудзоне в 2009 году после его столкновения с стаей канадских гусей при взлете в Нью-Йорке. Скоро будет анонсирован радар заднего вида для велосипедистов.

Фото: Национальная служба погоды/АР фото «Надвигающаяся буря»: доплеровский радиолокатор оказался неоценимым для мониторинга опасных явлений погоды, таких как ураган Чарли, который опустошил часть Флориды в 2004 году.

Электромагнитный спектр немного похож на пространство в подводной лодке: его недостаточно, чтобы разгуляться. Таким образом, пользователи, работающие в радиодиапазоне вынуждены сосуществовать в одном диапазоне частот. Однако, проблема заключается в том, что это очень трудно сделать. Передача сигнала на большие расстояния требует мощных передатчиков и чувствительных приемников из-за рассеивания передаваемой энергии на пути к цели, которая затем рассеивается и при отражении. Лишь небольшая часть энергии, возвращающейся к приемнику, также рассеивается в пути. В целом, получаемый сигнал слабеет пропорционально биквадрату расстояния до цели.

С точки зрения обмена, радиолокация представляет собой наиболее сложный из всех возможных вариантов: мощный передаваемый сигнал, мешающий другим пользователям, и настолько слабый обратный сигнал, что он чрезвычайно чувствителен к входящим помехам, хотя цифровая обработка в приемнике может подавить некоторые препятствующие сигналы. Что еще хуже, многие применения радаров, в том числе для обороны, управления воздушным движением, безопасности на море, а также прогнозирования погоды имеют решающее значение для жизни человека и его безопасности, поэтому радиопомехи могут иметь катастрофические последствия.

Учитывая эти проблемы, можно было бы предположить, что существует надежный режим регулирования радиолокации, который устанавливает ограничения на эксплуатацию и требует новых установок для защиты тех, кто уже использует этот радиоэфир. Тем не менее, такого режима не существует в некоторых странах, в том числе и в США. Федеральная комиссия по связям, конечно, устанавливает диапазон частот, который может использовать радар, как и все иностранные регулирующие органы, но и здесь есть свои особенности. ФКС утверждает (или не утверждает) мощность сигнала и пропускную способность для каждого отдельного случая, и так же может разрешить любой вид модуляции «при достаточной необходимости», без каких-либо указаний на последствия подобной манипуляции. «Никаких правил заранее» говорит ФКС, в сущности, «примените к это чему-либо, и мы разъясним, пройдет это нашу проверку или нет».

Канада и Тайвань следуют подобной стратегии в регулировании радиолокационной техники. Возможно, намерение состоит в том, чтобы уменьшить регуляторные барьеры новым технологиям. Это было бы похвально. Однако нечеткие нормы скорее являются помехой. Так как компания с идеей для нового радиолокационного продукта не сможет заранее знать, будет ли она официально утверждена или нет. Это может стать причиной нежелания инвестировать средства в её развитие.

Стоит отметить, что универсального подхода нет. Европейские регулирующие органы, например, требуют соблюдения некоторых подробно описанных технических стандартов, в то время как происходит повторная сертификация старых видов оборудования и предлагаются новые процедуры, для получения одобрения новых видов. В других местах, в том числе и в части Африки, регулирующие органы следуют европейским стандартам и процедурам. Япония имеет свою собственную систему. Некоторые не западные страны во избежание проблем, разрешают пользоваться мощным радиолокационным оборудованием исключительно правительству и вооруженным силам.

США не делают этого. Вместо этого они выделяют 14 полос частот, в пределах от 70 килогерц до 81 гигагерц, для не федеральных услуг радиолокации. Все, кроме одной, из этих частот используются и в других устройствах. Самые полезные частоты, от 2,800 мегагерц и выше, так же используются и федеральными службами радиолокации.

Но как неправительственные пользователи радиолокации США делят радиочастотные диапазоны друг с другом? Некоторые службы радиосвязи, предоставляющие один набор частот нескольким пользователям, вводят процедуру, называемую координация частот. Детали различаются, но суть состоит в том, чтобы присвоить каждому новичку частоту, которая сводит к минимуму риск возникновения помех от и до обладателей. В США категории, подлежащие частотной координации, включают в себя двустороннюю радиосвязь, некоторые станции спутниковой связи, а также наиболее фиксированные радиорелейные линии связи, которые, среди прочего, часто используются для подключения базовых станций сотовой связи. Компания, которая хочет установить какую-то новую радиолокационную штуковину, может свободно выбирать свою собственную частоту работы в рамках одной из радиолокационных полос. Федеральные органы регуляции спектра изучают каждое поданное заявление о риске вмешательства в федеральные системы, но никто не делает то же самое, чтобы защитить не федеральных пользователей на этих частотах.

В США и других странах, где разрешено частное использование радиолокационного оборудования, требование о лицензировании деятельности кажется универсальным решением, хотя не все хотят им пользоваться. База данных ФКС содержит менее 2000 активных радиолокационных лицензий на всей территории страны, не считая тех, которые используются на судах, плавающих в водах США, которые по умолчанию имеют лицензию.

Стоит отметить, что радиолокация применяется не только в радарах. Устройства другого семейства, появившегося позже, передают гораздо меньше энергии, как правило существенно меньше милливатта, через более короткие расстояния, обычно не больше пары метров. Данная группа так же использует более широкую полосу частот радио, чаще всего от десятков до сотен мегагерц.

Эти устройства создают череду коротких импульсов с острыми краями, которые позволяют оборудованию более точно измерять время возврата сигнала. Другим преимуществом является то, что такой сигнал распространяет энергию на большую часть радиочастотного спектра, иногда гигагерц или более.

Такие сигналы вызывают небольшие помехи для большинства других приемников, которые чувствительны только к узкому диапазону частот, и поэтому затрагивают лишь небольшую часть общей мощности передатчика, которой, конечно, недостаточно. С другой стороны, поскольку сигналы большинства других видов радиостанций содержатся в очень узком диапазоне спектра, они оказывают незначительное влияние на производительность широкополосного радара.

Широкий диапазон частот так же дает преимущество. Поскольку правительства обычно устанавливают предельные мощности на основе каждого мегагерца, радар с использованием широкой полосы пропускания может подавать относительно высокий уровень общей мощности, оставаясь в рамках установленных правил.

Ранние прототипы подобной технологии появились в 1970-е годы в форме георадара. Такое оборудование помогает рабочим найти подземные трубы и кабели, обнаружить невидимые дефекты под поверхностью автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос, а однажды с его помощью нашли остатки мамонта в сибирской вечной мерзлоте. В течении многих десятилетий США никак не регулировали продажи и использование георадаров, поэтому они оставались незаконными. Но устройство было полезным, в том числе для общественной безопасности, и не вызывало помех, однако в течении почти тридцати лет регулирующие органы не замечали этого.

ФКС, наконец, узаконила георадары, наряду с несколькими другими видами радиолокационных систем построения изображения, в 2002 году. Одна из причин, почему потребовалась так много времени – разрешение на использование широкополосных передачх возмутило практически все организованные группы пользователей радиодиапазона, в том числе ключевые правительственные учреждения США, которые твердили о вредоносном вмешательстве в их системы. ФКС отреагировало на это установкой очень низких пределов мощности для всех сверхширокополосных устройств, уточнив, что вся энергия будет рассеяна по всему спектру. Это решение предусматривает, что мощность не превысит 75 нановатт за мегагерц. ФКС также установила минимальную ширину, равную, по меньшей мере, 20% от средней частоты или 500МГц, в зависимости от того, что меньше.

Шло время, а оппозиционные прогнозы конца света так и не сбылись, поэтому другие страны приняли аналогичные правила. Некоторые из них, включая США и страны Европы, стали разрешать радарные системы, работающие в более узком диапазоне частоты, но иногда с большей мощностью, чем было первоначально разрешено. Радары, названные широкополосными, используют либо импульсы широкополосного типа, либо частотно-модулированные непрерывные излучения сигналов. Такие системы нашли применение во множестве областей: автомобильная промышленность, горное дело, общественная безопасность, а также инновационные системы, используемые в аэропортах.

В отличие от ситуации с высокомощными источниками радиосигналов, все страны, которые позволяют пользоваться маломощными широкополосными радарами, создали детализированные технические регламенты. Некоторые сделали это просто адаптировав стандарты друг друга, хотя большинство берут за основу модель США. С другой стороны, недавнее одобрение ФКС радаров для промышленного зондирования уровней (используется для измерения уровня жидкости и сухих материалов в зданиях и на открытом воздухе) во многом следующее европейским техническим правилам. Производители приветствуют такого рода глобальное единообразие, поскольку это позволяет создать продукты, которые можно продавать в различных странах.

Политика в отношении лицензирования широкополосных радаров в мире не однородна. США разрешает такие устройства для работы без лицензии, хотя некоторые из них ограничены конкретными группами пользователей, такими как персонал аварийных служб. В Канаде на радиолокационное оборудование такого характера есть технические стандарты, и оно освобождено от лицензирования. В некоторых странах, в том числе в Европе, требуют лицензирования для некоторых категорий оборудования, таких как георадары или некоторые промышленные радары.

Фото: Радар заднего вида «Приближение автомобиля»: Новая модель радара, который будет оповещать велосипедистов о приближающихся сзади автомобилях.

До сих пор самое широкое распространите маломощных РЛС приходится на автомобили. Быстро растет количество легковых и грузовых автомобилей, поддерживающих функцию круиз-контроля с использованием радара, которая обеспечивает автоматическое торможение, обнаружение слепой зоны, помощь в смене ряда движения и резервную систему предупреждения. Нигде, насколько известно, подобные радары не требуют лицензии. Автомобили есть на любых дорогах, и их электромагнитное излучение следует за ними – факт, который беспокоит некоторых пользователей спектра, особенно радиоастрономов, чьи чрезвычайно чувствительные приемники делают наблюдения на тех же частотах, что и у транспортных средств во многих странах. Регулирующие органы во многом приуменьшают проблему астрономов, отвечая тем, что автомобилестроители в первую очередь должны заботиться о безопасности водителей.

Возможно предпочтение автомобилистов астрономам было очевидным выбором, но когда индустрия уровнемеров предложила защитить радиоастрономов от помех с помощью запрета установки устройств в непосредственной близости от их местонахождения, ФКС отклонила данное предложение. Регулирующие органы могли рассуждать о том, что слишком много правил могут привести к замедлению роста данной отрасли.

Конечно, во многих случаях это может оказаться правдой. Однако чрезмерная гибкость нормативных требований порождает неопределенность, которая одновременно сдерживает инновации и неоправданно угрожает другим службам.

Уотсон-Уотт в шутку сказал офицеру, задержавшему его, что если бы он знал, что радар будет использоваться для поимки людей, превышающих скорость, то он бы его не изобрел. Возможно он изменил бы свое мнение, если бы знал, что его изобретение способно не только защитить гражданские населения в своих домах во время войны в Великобритании, но и обезопасить перелеты, дорожное движение и работу на промышленных объектах.

Лазарь Митчелл работал в качестве инженера-электрика, профессора психологии,
реформатора образования, разработчика обучающих телепрограмм, внештатного автора и, совсем недавно,
телекоммуникационного юриста. В сотрудничестве с Флетчиром, Heald & Hildreth, он специализируется на обеспечении разрешений регулирующих органов для новых технологий.
Тем не менее, Лазарь пишет не только о электронике, недавно он закончил книгу о Манхэттенском проекте.

Теги: лазарь митчелл, радиолокация, рлс