Как было получено изображение обратной стороны Луны

Передача сигналов с борта космической станции на Землю

Важнейшей проблемой, возникшей при фотографировании изображения Луны, явилась проблема передачи радиосигналов на большие расстояния. Как известно, дальность действия систем радиосвязи зависит от излучаемой мощности радиопередатчика, направленности антенн, чувствительности приемных устройств, потерь при излучении и приеме и т. д. Создавая межпланетную автоматическую станцию, советские специалисты должны были решить сложные задачи конструирования бортовой и наземной аппаратуры. Конструкторы и ученые стремились к тому, чтобы бортовая аппаратура космической станции имела минимальный объем, небольшой вес и потребляла немного электрической энергии. Большое внимание было уделено надежности работы бортовых радиотехнических устройств.

Рассмотрим теперь подробнее, как осуществляется передача сигнала с космической станции. Для этого представим себе передающую антенну космической лаборатории в виде точечного излучателя (рис. 12), излучающего энергию равномерно во всех направлениях. На расстоянии R от точки излучения вся излучаемая в пространство энергия будет проходить через поверхность воображаемой сферы, имеющей радиус R. Приемная антенна на Земле способна уловить энергию электромагнитных колебаний, пронизывающих лишь ограниченную площадь, которую мы обозначим S_пр.

Отношение энергии Р_пр, принятой на Земле, ко всей энергии Р_К, излучаемой бортовым радиопередатчиком, можно определить из выражения

т. е. эта энергия будет равна отношению площади приемной антенны к площади сферы, описанной радиусом, равным расстоянию между точками приема и передачи.

Рис. 12. К расчету излучаемой передатчиком межпланетной станции энергии, достигающей наземной приемной антенны.

Величина S_ПР зависит от геометрической конфигурации приемной антенны. Допустим, что S_ПР = 1 м². Тогда при максимальном удалении радиопередатчика автоматической межпланетной станции от Земли, равном 470 000 км (с этого расстояния именно и производилась передача) получим:

Полученный результат говорит, что при наибольшем удалении от Земли каждый ватт мощности, излучаемой радиопередатчиком автоматической межпланетной станции, соответствует на земной поверхности потоку энергии, примерно в три раза меньшему одной миллиардной от одной миллиардной доли ватта на каждый квадратный метр земной поверхности. В произведенном подсчете не учтены потери энергии на поглощение в ионизированных слоях атмосферы и на отражение от Земли и верхних участков атмосферы. Таким образом, действительная доля принимаемой энергии будет даже меньше расчетной. Очевидно, что уверенный прием таких слабых сигналов осуществлять очень трудно.

Что же можно предпринять для увеличения энергии принимаемых радиосигналов?

Для этой цели можно было бы использовать антенны направленного действия. Направленным действием, как известно, называют способность антенны излучать энергию в нужном направлении (если речь идет о передающей антенне) или принимать сигналы с нужного направления (если речь идет о приемной антенне). Из этого следует, что желательно было бы передающие антенны автоматической межпланетной станции сконструировать так, чтобы по возможности можно было облучать только ту площадь Земли, на которой установлены приемные антенны, и не излучать энергии в других направлениях.

Однако добиться направленного действия антенны космической лаборатории трудно из-за вращения станции вместе с установленными на ней антеннами, т. е. вследствие изменения ориентации антенны по отношению к земным наблюдательным пунктам. Для того, чтобы связь со станцией не прекращалась при ее вращении, антенны станции излучают радиосигналы равномерно во всех направлениях, так что мощность излучения, приходящаяся на единицу поверхности, будет одинаковой для всех точек воображаемой сферы, в центре которой находится передатчик станции.

Ввиду того что в наземную приемную антенну попадает лишь часть излучаемой энергии, которая определяется отношением эффективной площади приемной антенны к поверхности воображаемой сферы с радиусом, равным расстоянию от космической станции до при-емкого пункта, то вполне естественным является стремление использовать большие приемные антенны, обладающие большим коэффициентом направленного действия.

В теории приемных антенн доказывается, что наибольшая полезная мощность, которую способна отдать приемная антенна на вход приемника, выражается формулой

где S — плотность потока электромагнитной энергии, вт/м²;

λ — длина волны, м;

G_M — наибольший коэффициент усиления антенны, под которым понимают число, показывающее, во сколько раз большая, мощность поступает на вход приемного устройства при приеме на антенну данного типа по сравнению с мощностью, которую можно получить, применяя в качестве приемной антенны простой полуволновый вибратор.

Величина коэффициента усиления G_м связана с коэффициентом направленности антенны D следующим соотношением:

где η_Α — к. п. д. антенны.

Допустим, что коэффициент направленного действия приемной антенны составляет 60, а к. п. д. — 0,9; тогда максимальная энергия принятого сигнала на входе приемного устройства для S = 0,364·10^-18 вт/м² и λ = 15 м будет равна:

Что же мешает приему таких сигналов? Казалось бы, что может быть проще: если надо получить на выходе приемного устройства определенный уровень сигнала, то нужно лишь увеличить число усилительных каскадов и проблема будет решена. Однако решение этой проблемы затрудняется не малой величиной принимаемого сигнала, а наличием помех радиоприему. Действительно, каким бы малым ни был входной сигнал, его можно усилить в любое число раз, но вместе с полезным сигналом усиливаются и паразитные сигналы. А если мощность шумов превышает мощность полезного сигнала, то каков смысл их совместного усиления?

Существует множество природных источников электромагнитных колебаний. Любая электрическая искра — это уже очаг возникновения электромагнитных волн. Непрерывно создаются радиопомехи атмосферными электрическими разрядами. Мешают радиоприему всевозможные промышленные установки и приборы, порождающие электромагнитные колебания. Такими установками являются высокочастотные промышленные устройства, электромедицинское оборудование, электротранспорт, автомобили, электросварочное оборудование и др. К внешним источникам шумов относят также непостоянство напряжений источников питания, механические вибрации и т. д. Кроме того, Земля облучается электромагнитными колебаниями космического происхождения. Все эти мешающие радиоизлучения по своей физической природе такие же, как и радиосигналы, — вот почему так трудно преградить им путь в радиоприемник.

Правда, в диапазоне волн, используемых на третьей космической ракете, внешние помехи действуют слабо. Но в этом радиодиапазоне, как и в любом другом, имеется еще один источник помех, не упоминавшийся нами ранее. Этим источником является само радио-приемное устройство. Появление помех в радиоприемнике объясняется так называемыми электрическими флуктуациями в его различных деталях и узлах (сопротивлениях, конденсаторах, катушках, радиолампах). Флуктуации приводят к тому, что на концах сопротивлений и в контурах приемника из-за беспорядочного движения свободных электронов непрерывно возникают меняющиеся электрические напряжения, даже тогда, когда на входе приемника нет никаких сигналов. При этом величина напряжения флуктуаций пропорциональна величине активной составляющей сопротивления цепи. Обычно для оценки величины флуктуационного напряжения пользуются его так называемым среднеквадратичным значением. Если величина активного сопротивления участка цепи не зависит от частоты, то спектр флуктуационного напряжения оказывается практически равномерным вплоть до ультравысоких частот. Для подсчета напряжения шума принимают во внимание лишь те частотные составляющие флуктуационного напряжения, которые лежат в пределах полосы пропускания устройства.

Мешающие напряжения порождаются и радиолампами. Ламповые шумы вызываются отклонениями величин анодного и сеточного токов от средних значений при неизменных напряжениях питания. Основная причина колебаний анодного и сеточного токов заключается в том, что ток эмиссии не остается постоянным вследствие непрерывного статистического изменения числа электронов, вылетающих из катода. Это явление носит название дробового эффекта.

Для удобства расчетов обычно считают, что анодный ток идеально постоянен и что флуктуации анодного тока вызваны некоторым переменным напряжением, приложенным между сеткой и катодом лампы. Считается, что это напряжение создается флуктуациями зарядов в некотором эквивалентном по шуму сопротивлении. Величина этого шумового сопротивления определяется параметрами и режимом работы лампы; оно возрастает при увеличении количества сеток.

Флуктуации величины сеточного напряжения лампы вследствие непостоянства сеточного тока пропорциональны корню квадратному из величины сеточного тока. Отсюда следует, что если необходимо уменьшить уровень шумов, то лампу желательно использовать при возможно меньших сеточных токах.

Особенно вредны шумы, возникающие в первом каскаде радиоприемника (во входном контуре и первой лампе).

Хотя общее напряжение шумов незначительно по величине и составляет лишь ничтожные доли вольта, оно оказывается соизмеримым с уровнем сигнала автоматической межпланетной станции и может даже превзойти во много раз уровень полезного сигнала. При этом надо учитывать и то, что в самом сигнале изображения передающего телевизионного устройства имеются помехи, обусловленные различными элементами аппаратуры, в том числе флуктуациями тока луча проекционной трубки, флуктуациями фототока, тока вторичной эмиссии в фотоэлектронном умножителе и т. д.

Если величина помех на входе первого усилительного каскада, вызываемых различными причинами, превышает уровень принимаемого сигнала, прием этого сигнала будет затруднен или вообще невозможен, так как в последующих каскадах приемника шумы будут усиливаться в огромное число раз. Таким образом, предельная чувствительность приемника ограничена помехами, т. е. уровнем помех определяется наименьший уровень сигнала, который может быть принят данным радиоприемным устройством. В телевидении считается, что для получения хорошего качества телевизионного изображения амплитуда полезного сигнала должна превосходить эффективное значение шумового напряжения не менее чем в несколько десятков раз.

Принимая различные меры, можно уменьшить уровень помех, вызываемых внешними причинами. Шумы же, возникающие в передающем и приемном устройствах из-за электрических флуктуаций, неизбежны. Их удается ослабить, но совсем устранить невозможно, так как мы не в состоянии остановить тепловое движение молекул.

Рассмотрим теперь понятие мощности шумов. Любое активное сопротивление, являясь источником шумов, при подключении его ко внешней цепи может выделить в этой цепи шумовую мощность, наибольшее значение которой выражается формулой

Р_макс = KTF,

где К — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура сопротивления (в градусах Кельвина);

F — полоса частот передаваемого сигнала, гц.

Равенство мощности сигнала и мощности суммарного шума, вносимого приемником и антенной, будет на выходе приемника в том случае, если на вход его подается мощность сигнала, равная

P_c.n=N_эKTF.

В этом выражении коэффициент шума N_э показывает, во сколько раз реальный радиоприемник при работе его на реальную антенну ухудшает отношение сигнал/шум по мощности по сравнению с идеальным приемником, который не добавляет шумов к шумам антенны. Таким образом, в данном случае коэффициентом шума Ν_э учитываются как шумы самого приемного устройства, так и шумы приемной антенны, обусловленные воздействием внешних, преимущественно космических шумов.

Полосу частот, необходимую для передачи изображения, можно определить, представляя изображение в виде конечного числа единичных (дискретных) элементов. Связь числа элементов изображения с полосой частот выражается формулой

где п — число элементов изображения;

Т — время передачи полного изображения (например, кадра).

Разберем такой пример. Допустим, что все изображение разбивается на отдельные квадратные элементы со сторонами, равными высоте одной строки. Допустим далее, что изображение Луны разлагается на 1 000 строк, а отношение ширины изображения к его высоте составляет 1:1. Тогда число элементов в каждой строке будет равно 1000, а в полном изображении — 1 000² = = 1000000. Если каждое изображение передавать 25 раз в секунду, как это делается в телевидении, то общее число электрических сигналов, посылаемых в секунду по телевизионному каналу, будет равно числу элементов в одном кадре, умноженному на число кадров, т. е. 25*10⁶, а полоса частоты, на пропускание которой этот канал должен быть рассчитан, оказывается равной примерно 12,5 Мгц.

Полагая Ν_э = 5, Т = 290°К и F = 12,5*10⁶ гц, определим минимально необходимую мощность сигнала, соответствующую равенству сигнала и шумов:

Р_{с. п} =5· 1,38·10^-23·290·12,5·10⁶ = 2,5·10^-13 вт.

Для получения хорошего качества телевизионного изображения необходимо, чтобы мощность сигнала в десятки раз превышала мощность шумов. Допустим, что мощность сигнала должна превышать мощность шумов в 60 раз. В этом случае мощность принятого сигнала должна быть равна

Р_{с. р} =2,5·10^-13·60 =1,5·10^-11 вт.

Ранее мы получили мощность, прием которой реально обеспечивается бортовым и наземным устройствами (при принятых нами допущениях). Эта мощность составляет примерно Р_{А. макс} = 0,35·10^-15 вт.

Таким образом, оказывается, что мощность, необходимая для обеспечения хорошего качества телевизионного изображения при числе кадров, равном 25, и числе строк 1 000, в десятки тысяч раз больше той, которую обеспечивает нам радиопередатчик автоматической межпланетной станции.

Какой же выход можно найти из создавшегося положения? Как решить эту сложную проблему — передать на огромное расстояние фотографическое изображение обратной стороны Луны?

В первую очередь были предприняты меры по созданию очень высокочувствительных радиоприемников, обладающих малым уровнем собственных шумов. Были созданы также специальные приемные антенны, обладающие высоким коэффициентом направленности. Но одни эти средства, как бы умело они ни использовались, решить возникшую проблему не могли.

Решению проблемы способствовало использование особых методов передачи и приема.

Известно, что при одинаковом числе элементов разложения и одинаковой мощности передатчика ширина полосы частот, необходимая для передачи сообщения, может быть уменьшена за счет увеличения времени передачи. При этом дальность передачи повышается пропорционально квадратному корню увеличения времени передачи.

Но в связи с большой скоростью полета космических ракет при определении ширины полосы пропускания приемника необходимо учитывать и эффект Допплера. Этот эффект проявляется на приемной стороне при движении радиоприемника или передатчика в виде изменения частоты принимаемых электромагнитных колебаний. Если приемник и передатчик сближаются, то каждую секунду приемная антенна встречает большее число волн, чем при отсутствии движения. Это значит, что частота принятого сигнала при этом возрастает. Если же источник колебаний и приемник удаляются друг от друга, то число волн, ежесекундно воспринимаемых приемником, будет меньше, чем при отсутствии движения. Этот эффект будет проявляться тем больше, чем больше скорость относительного перемещения приемника и передатчика ν и чем меньше длина волны колебаний λ.

Ширина полосы пропускания приемника F_p с учетом эффекта Допплера составляет:

где F — ширина полосы пропускания, соответствующая условию обычного приема сигналов, а ν/λ —допплеровский сдвиг частоты.

При очень больших скоростях полета отношение ν/λ становится довольно большим, что требует значительного расширения полосы пропускания и ведет к уменьшению дальности радиосвязи.

Ранее было показано, что мощность принятого на Земле сигнала бортового радиопередатчика в десятки тысяч раз меньше необходимой для создания достаточно удовлетворительного телевизионного изображения. Это сравнение фактической и требуемой мощностей соответствует передаче 25 кадров в секунду при числе строк разложения, равном 1 000.

Для передачи на Землю изображения высокой четкости советские специалисты уменьшили скорость передачи сигналов изображения Луны в десятки тысяч раз, благодаря чему и удалось главным образом решить проблему передачи изображений на космические расстояния.

Допустим, что скорость передачи понижена в 45 000 раз по сравнению с используемой в телевизионном вещании. Тогда время передачи одного кадра изображения составит:

Передача сигналов с такой скоростью и воспроизведение на Земле соответствующих изображений связаны с преодолением ряда трудностей. Остановимся на главной из них.

В обычном телевидении слитное и немелькающее изображение получается благодаря использованию ряда особенностей зрения человека и главным образом инерционности зрительного восприятия и конечной разрешающей способности глаза.

Инерционность зрительного восприятия проявляется в том, что после начала светового раздражения, имеющего постоянную интенсивность, ощущение (кажущаяся яркость) постепенно нарастает, а после окончания раздражения так же постепенно падает. Благодаря этому свойству при достаточно быстрых периодических изменениях яркости рассматриваемого объекта глаз перестает реагировать на эти изменения и воспринимает лишь среднее значение яркости. Частота периодического изменения яркости объекта, при которой прекращаются мелькания, раздражающие глаз, и начинает восприниматься лишь средняя яркость объекта, называется критической частотой мельканий. Она составляет для различных условий наблюдения и свойств изображения 10–20 мельканий в секунду. Критической частотой мелькания определяется частота повторения телевизионных кадров.

Таким образом, если мы будем воспроизводить на приемном конце изображение с той же скоростью, с какой производится передача сигналов изображения с межпланетной станции, то слитного изображения, казалось бы, получить нельзя, ибо электронный луч будет слишком медленно перемещаться по экрану приемной трубки. Только на то, чтобы прочертить одну строку, ему понадобится несколько секунд.

Каким образом может быть решена эта проблема?

Непрерывность зрительного восприятия изображения в этом случае в принципе может быть получена за счет использования таких приемных трубок, которые обладают большим временем послесвечения экрана. Трубки обычного устройства таким большим временем послесвечения не обладают. Правда, сейчас уже существуют специальные трубки, предназначенные для длительного сохранения изображения на экране. Кроме того, в настоящее время разработаны такие приборы, которые позволяют производить запись электрических сигналов медленно, а считывать их — со скоростью, во много раз превышающей скорость записи.

Существуют и другие методы передачи сигналов изображения и последующего воспроизведения их с необходимой скоростью. Подробно об этом будет рассказано дальше.

Необходимо отметить и то, что визуальное наблюдение изображения, создаваемого в процессе передачи, необходимо в основном для контроля работы бортовой и наземной аппаратуры. Целью передачи сигналов изображения является создание фотографических изображений, а это может быть осуществлено применением методов фототелеграфии.

Выше отмечалось, что экспозиция фотопленки на автоматической межпланетной станции умышленно изменялась от кадра к кадру. Средняя плотность обработанных негативов при этом оказывалась различной, в результате чего уровни сигналов изображения, снимаемых с нагрузки фотоэлектронного умножителя, были различными. Чтобы устранить разность уровней, был специально разработан узкополосный стабилизированный усилитель. В этом усилителе производилось автоматическое выравнивание выходного сигнала.

На качество изображения большое влияние оказывает линейность развертывающих напряжений. Известно, что реальные отклоняющие системы обладают той или иной степенью нелинейности. При этом с уменьшением частоты развертки возрастают и трудности создания линейной развертки. Трудности возникают из-за влияния посторонних магнитных полей и нестабильности высокого напряжения в электронно-лучевых трубках. Если бы можно было сделать так, чтобы скорость движения развертывающего луча трубки приемника точно следовала за любым изменением скорости луча в передающей трубке, то в принципе было бы не важно, сохраняется ли эта, скорость строго постоянной. Однако чем меньшими будут изменения скорости движения электронного луча на передающей стороне, тем легче будет обеспечить с необходимой точностью определенную скорость развертки в приемнике.

Для точной работы электронно-лучевые трубки на передающей и приемной сторонах должны быть защищены не только от магнитных полей рассеяния (главным образом от источников питания), но и токи и напряжения, используемые в системах отклонения луча, должны быть свободными от фона. Особая забота должна проявляться в отношении стабильности ускоряющих напряжений электронно-лучевых трубок, так как непостоянство этих напряжений приводит к изменению чувствительности по отклонению электронного луча.

Для обеспечения хорошей линейности при малых скоростях развертки в ряде случаев используют устройства, имеющие частично механическую и частично электронную схему, так как в механической системе легче добиться лучшей линейности.

Развертывающие устройства, использовавшиеся для отклонения электронного луча трубки в межпланетной станции, обладали высокими линейностью и экономичностью.

Сложным является и вопрос синхронизации развертывающих устройств. Эта трудность также была успешно преодолена. Для синхронизации передающих развертывающих устройств с приемными устройствами на Земле использовался метод, который обеспечивал высокие помехоустойчивость и надежность работы аппаратуры.

На автоматической межпланетной станции было сделано большое количество фотографий обратной стороны Луны, для передачи которых требовалось много времени. Для ускорения процесса передачи информации о поверхности нашего естественного спутника были использованы два режима передачи сигналов. В то время, когда станция была далеко от Земли и мощность поступающих сигналов от нее была очень малой, передача осуществлялась очень медленно. При приближении к нашей планете мощность поступающих в приемные антенны сигналов со станции увеличивалась, что позволяло увеличить скорость передачи.

Советские специалисты стремились использовать любую возможность для получения максимальной информации от бортовой аппаратуры. Так, например, телевизионная система позволяла в зависимости от условий передачи осуществлять изменение числа строк, на которое разлагалось изображение Луны. Максимальное число строк доходило при этом до 1 000 на один кадр. Напомним для сравнения, что в телевизионном вещании СССР число строк равно 625, в США — 525, а в Англии — еще меньше — 405 строк. Если отношение ширины изображения к его высоте в телевизионной системе третьего советского спутника равно 1:1, то число воспроизводимых на Земле элементов составило 1000·1000=1000 000. В обычном телевидении отношение ширины изображения к его высоте составляет 4:3, т. е. можно считать, что в одной строке укладывается 625·⁴/₃ = 833 элемента. Таким образом, системы с разложением изображения на 625 строк рассчитаны на передачу 625·833 = 520 000 элементов, а системы телевизионного вещания США и Англии — соответственно на 370 000 и 220 000 элементов. Эти примеры наглядно показывают высокую степень совершенства телевизионной аппаратуры, использованной на автоматической межпланетной станции.

Естественно, что проведение столь грандиозного научного эксперимента требовало принятия мер, обеспечивающих невосприимчивость системы в целом к каким-либо неожиданностям, могущим вызвать выход из строя того или иного ее узла. Эти меры заключались, в частности, в том что работа всей аппаратуры линии радиосвязи как на борту, так и на наземных пунктах дублировалась. Это позволило повысить надежность передачи сообщений с автоматической межпланетной станции и передачи команд с Земли на космическую станцию. В случае выхода из строя одного из приборов на борту станции или исчерпания ресурсов его работы он мог быть заменен резервным прибором. Для этого достаточно было подать соответствующую команду с наземного пункта управления.

Передача изображений Луны, как мы уже отмечали, осуществлялась по командам с Земли. Этими командами включались питание бортовой телевизионной аппаратуры, протяжка фотопленки и производилось подключение телевизионной аппаратуры к радиопередатчикам.

Важно подчеркнуть то обстоятельство, что работы по созданию телевизионных систем с пониженной скоростью передачи начали проводиться впервые в Советском Союзе. Эти работы были начаты в 30-х годах группой московских специалистов, руководимой проф. С. И. Катаевым.

Работами проф. С. И. Катаева, выполненными в то время, были заложены основы создания узкополосных телевизионных систем с малокадровым способом разложения.