Радиолокация и телевидение. Развитие средств связи

Напомним, что одним из первых, кто высказал мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние был Александр Степанович Попов. В апреле 1895 года он представил миру свой первый радиоприёмник. С этого момента и начинается история развития и использования электромагнитных волн для нужд человечества.

В тысяча 1898 году Александр Степанович Попов попытался осуществить радиосвязь между двумя кораблями, находящимися на расстоянии пяти километров друг от друга. В определенный момент после чёткого и довольно устойчивого сигнала передатчика неожиданно обнаружился эффект затухания радиосигнала, который вскоре пропал. Как оказалось, в этот самый момент между двумя подопытными кораблями проходил третий. Это, можно сказать, и были первые эксперименты в области радиолокации. Тогда стало ясно, что электромагнитные волны можно использовать не только для связи, но и для обнаружения объектов. Однако, в то время, применить практически открытую возможность дальнего видения никому не удалось.

Активное развитие радиолокации началось лишь во время второй мировой войны. В Советском Союзе, Великобритании и США стали производить радары для раннего обнаружения самолётов вражеской авиации.

Итак, что же такое радиолокация? Этот вопрос почти наверняка ни у кого не вызовет затруднений. Хотя и не все непосредственно занимаются радиолокацией, но интернет, телевидение и документальные фильмы достаточно хорошо познакомили нас с вращающимися антеннами и серьёзными сосредоточенными лицами операторов, которые вглядываются в слабо светящиеся экраны, мерцающие таинственными световыми пятнами — отметками целей.

Радиолокация — область науки и техники, объединяющая методы и средства локации (обнаружения и измерения координат) и определения свойств различных объектов с помощью радиоволн.

Излучается радиоволна в пространство при помощи передатчика. Если излучённая волна встретит на своём пути какое-то препятствие, то происходит либо её отражение радиоволны, либо рассеяние. При отражении та часть волны, которая попадает на отражающий объект, сохраняет свою структуру, но изменяет направление своего движения.

И если отражённая волна попадает на антенну, то в приёмнике радиолокационной станции появится довольно сильный сигнал. И чем больше площадь отражающего объекта, тем сильнее принятый сигнал и тем он более отчётливее.

Теперь посмотрим, как с помощью радиолокации определяется местоположение объекта? Итак, станция включилась в работу. Сигнал срывается с передающей антенны и со скоростью света устремляется к цели. Одновременно на экране индикатора световой луч развёртки начинает свой путь из точки, которая обозначает место расположения станции (на экране появляется всплеск около нулевой отметки шкалы дальности).

Система развёртки устроена таким образом, что при отсутствии цели луч будет все время прочерчивать на экране светящуюся горизонтальную линию (но будем все-таки считать, что цель есть). Вот сигнал достиг цели, отразился от неё и, вернувшись к станции, попал в приёмную антенну. И в этот момент луч сделает на экране вторую засечку — цель обнаружена. То же происходит и со всеми последующими сигналами. Если цель приблизится к станции, то сигнал совершит своё путешествие к ней и обратно быстрее, а значит и луч развёртки раньше засветит отметку от цели. Так как скорость, с которой путешествует сигнал, постоянна, то время, прошедшее с момента излучения сигнала до его приёма, пропорционально удвоенному расстоянию до цели:

Таким образом, для проведения радиолокационных наблюдений необходимо иметь передатчик, чувствительный приёмник с антенной, сигнал и какой-нибудь отражающий объект.

В настоящее время радиолокация занимает существенную нишу как в военно-оборонной сфере, так и в гражданской. Радиолокационные установки обнаруживают корабли, самолёты и ракеты на расстоянии до нескольких сот километров. Во всех крупных аэропортах мира локаторы следят за взлетающими и идущими на посадку воздушными судами. Все современные корабли и самолёты также снабжены радиолокаторами, которые служат им для навигационных целей. И наконец, локаторы активно используются в наблюдениях за космическими объектами и в исследовании космоса.

А теперь, разобравшись с некоторыми аспектами радиолокации, настало время поговорить ещё об одном способе использования радиоволн. А именно речь пойдёт о телевидении.

Телевидение — это область науки, техники и культуры, связанная с передачей на расстояние изображений подвижных объектов и звуков при по мощи радиоэлектронных устройств.

Современная телевизионная система состоит из трёх узлов, каждый из которых выполняет свою чётко сформулированную задачу.

Так, преобразователь свет-сигнал (это может быть, например, видеокамера) из поступающего на его вход оптического изображения формирует электрический сигнал, который принято в телевидении называть сигналом изображения или видеосигналом. Видеосигнал, в свою очередь, передаётся по каналу связи и затем в месте приёма преобразуется в изображение на телевизионном экране.

Идея создания первой телевизионной системы была высказана в далёком 1875 году Джоном Керром. Он предложил телевизионную систему с разбиением изображения на отдельные элементы (так называемое мозаичное изображение). А в 1880 году российский учёный Порфирий Иванович Бахметьев предложил информацию о каждом из элементов изображения извлекать, передавать по каналу связи и воспроизводить последовательно с помощью телевизионной развёртки.

За прошедший век в телевидении произошли существенные изменения, связанные с общим техническим процессом. На смену оптико-механическим ТВ системам невысокого качества пришли системы электронного телевидения. Черно-белое (монохромное) телевидение повсеместно вытеснено системами цветного ТВ вещания. Аналоговое телевидение превратилось в цифровое. Однако, несмотря на столь очевидный прогресс, телевидение развивалось и развивается в рамках направления, ограниченного вышеупомянутыми предложениями Джона Керра и Порфирия Бахметьева. И действительно, понятие элемента изображения (пиксель) является фундаментальным в современном телевидении, а развёртка — основным технологическим процессом при анализе и синтезе телевизионного изображения.

Принцип действия современной системы визуального телевидения основан на использовании процесса развёртки, осуществляемого дважды — на передающей и приёмной сторонах.

Рассмотрим процесс передачи и получения чёрно-белого изображения. Итак, в процессе развёртки на передающей стороне формируется видеосигнал, при этом происходит пространственно-временная дискретизация, то есть разложение изображения на кадры, строки и элементы. Это происходит благодаря передающей вакуумной трубки, называемой иконоскопом.

Внутри такой трубки располагается мозаичный экран, на который проецируется изображение объекта. Под действием падающей на ячейки световой энергии каждая из них определенным образом заряжается. Далее, с помощью электронной пушки формируется электронный пучок, который поочерёдно попадает на все элементы мозаики от строчки к строчке. При этом изменяется заряд каждой ячейки мозаики.

После передачи данного видеосигнала по каналу связи производится восстановление телевизионного изображения с помощью видеоконтрольного устройства. В качестве синтезирующей апертуры широко используется подвижное световое пятно, возникающее в результате взаимодействия сфокусированного электронного луча высокой энергии с катодолюминофором, нанесённым на экран кинескопа.

В том месте экрана куда попадает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин, являющихся плоскими конденсаторами. Меняя на них напряжение можно смещать пучок электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях практически мгновенно. Вследствие чего и возникает свечение экрана в местах попадания луча.

Получение цветного изображения сходно с получением черно-белого, однако в нем изображение разлагается на видеосигнал, несущий компоненты, соответствующие основным цветам спектра — красному, синему и зелёному.

В кинескопе же цветного телевизора с защитным экраном находятся три электронно-лучевые пушки с красным, зелёным и синим светофильтрами, образующие три электронных луча. Магнитная система цветного кинескопа обеспечивает сведение электронных пучков на отверстиях сетки, расположенной перед экраном. После прохождения отверстий сетки пучки попадают на различные люминофоры, образуя элемент цветного изображения — пиксель.

Сейчас мало кого удивишь телевизором с жидкокристаллическим экраном. По структуре жидкие кристаллы представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всём объёме этой жидкости.

Строгая ориентация молекул существует не во всём объёме кристалла, а в небольших областях, называемых доменами. На границе доменов происходит преломление и отражение света, поэтому жидкие кристаллы являются непрозрачными. Однако в слое жидкого кристалла, помещённом между двумя тонкими пластинами, расстояния между которыми от 0,01—0,1 мм, с параллельными углублениями, все молекулы будут параллельны, и кристалл станет прозрачным. Если на какие-то участки жидкого кристалла подать электрическое напряжение, то жидкокристаллическое состояние нарушается. Эти участки становятся непрозрачными и начинают светиться, а участки без напряжения остаются тёмными. Явление свечения жидких кристаллов и используется при создании жидкокристаллических экранов.

В настоящее время различные средства связи развиваются и совершенствуются в уже освоенных областях, а также находят и новые области применения. Даже такой традиционный вид связи, как почтовое сообщение (доставка сообщений в письменном виде) претерпел существенные изменения. И теперь, на смену старинным почтовым каретам пришли железные дороги, самолёты и, конечно же, интернет-почта.

Ещё совсем недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась только по воздушным линиям связи. На её надёжность влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее же время широко применяется мобильная и спутниковая связь. Для передачи звуковых сигналов при помощи мобильных телефонов используются радиоволны высокой частоты, называемые ультракороткими, которые распространяются прямолинейно. В сеть мобильной телефонной связи входит множество антенн для передачи и приёма сигналов. Зоны их работы образуют шестиугольники, похожие на соты. Именно поэтому мобильные телефоны называют также сотовыми. При звонке с помощью мобильного телефона сигнал на ультракоротких волнах улавливается ближайшей антенной, поступает в сеть и благодаря центральному компьютеру направляется по назначению.

Однако настоящей революцией в развитии средств связи, наверное, следует считать появление всемирной системы общедоступных электронных сетей — Интернет. Компьютерный мир уже давно стал сетевым. И появление Интернета, позволило людям со всех стран и всех континентов обмениваться огромными объёмами различной информации.