Соотношение импульсов к сканированию

В радиолокационных системах соотношение бликов к сканированию , или бликов/сканирований , представляет собой отношение количества раз, когда цель появляется на дисплее радара, к количеству раз, когда она теоретически может отображаться. Альтернативно его можно определить как отношение количества сканирований, при которых получен точный результат, к общему количеству сканирований.

«Отметка» относится к точкам, нарисованным на радарах раннего предупреждения на основе дисплеев индикатора положения в плане (PPI). «Сканирование» — это однократный поиск всего неба вращающейся антенной. Радар с низким коэффициентом отражения к сканированию получает лишь несколько отражений от объекта (в основном от самолета), что затрудняет его обнаружение.

Для самолета, летящего на большой скорости и высоте, это соотношение еще больше уменьшается, что делает самолет практически невидимым для радаров. Это изменение радиолокационной заметности также известно как эффект Роджерса по имени его сторонника в США Франклина Роджерса. Lockheed U-2 планировалось заменить гораздо более быстрым и скрытным Lockheed A-12 Именно по этой причине . Однако модернизация советских радиолокационных систем увеличила их соотношение между сигналом и сканированием, в результате чего А-12 устарел еще до того, как его можно было развернуть.

Основы радара

Основная статья: радар

Классические радары измеряют дальность, рассчитывая задержку между отправкой и получением импульсов радиосигналов , и определяют угловое местоположение по механическому положению антенны в момент получения сигнала. Для сканирования всего неба антенна вращается вокруг своей вертикальной оси. Возвращенный сигнал отображается на круглой электронно-лучевой трубке , которая создает точки под тем же углом, что и антенна, и смещенные от центра за счет временной задержки. В результате получается двухмерное воссоздание воздушного пространства вокруг антенны. Такой дисплей называется индикатором положения плана, обычно просто «PPI».

Эти точки известны как точки . В оптимальных условиях каждый импульс, отправленный радаром, будет возвращен, и на экране отобразится вспышка. Объекты большего размера передают более сильные сигналы и, следовательно, создают более яркие вспышки. Более медленные самолеты также дают более яркие блики, поскольку многие отражения отображаются примерно в одном и том же месте на дисплее, «складываясь».

На дисплеях радаров времен холодной войны люминофорные покрытия на ЭЛТ были смешанными, так что их период полураспада был порядка скорости вращения антенны. Это означало, что на дисплее последние сигналы от данного объекта будут отображаться в виде яркого пятна, а более старые — как несколько более тусклые, когда они исчезнут. На дисплее можно ожидать три или четыре таких мигания, в зависимости от скорости сканирования антенны. Оператор мог легко определить направление движения: от самого тусклого до самого яркого.

Коэффициенты отображения/сканирования

Одной из ключевых характеристик всех радаров является частота повторения импульсов (PRF), которая определяет максимальную эффективную дальность действия. Время между импульсами должно быть достаточно большим, чтобы одиночный импульс мог достичь максимальной дальности системы и затем вернуться до начала следующего импульса. Например, радару, рассчитанному на дальность действия 300 километров (190 миль), необходимо ждать 2 миллисекунды, чтобы импульс прошел максимальную дальность и вернулся обратно со скоростью света (300 000 км/с). Это означает, что такой радар может отправлять максимум 500 импульсов в секунду (PRF). Если бы радар отправлял 1000 импульсов в секунду, было бы невозможно определить, исходило ли конкретное отражение от объекта, находящегося на расстоянии 150 км от только что отправленного импульса, или объекта на расстоянии 300 км, отражающего предыдущий импульс. С другой стороны, радару на 150 км требуется всего 1 миллисекунда; это делает возможным PRF 1000.

С PRF переплетается длина импульса или рабочий цикл. Это определяет минимальный радиус действия системы. Более длинные импульсы означают, что объект может отразить больше энергии. Однако радиолокационная система не может обнаружить отражения во время отправки импульса. Например, чтобы иметь минимальную дальность действия 30 км, радар может иметь импульсы длительностью не более 0,1 мс. Для радара раннего предупреждения минимальная дальность обычно не важна, поэтому для максимизации отдачи используются более длинные импульсы, но, тем не менее, рабочий цикл был важным фактором при проектировании.

Эти два фактора в совокупности определяют силу сигнала, возвращаемого от удаленного объекта. Использование более короткого рабочего цикла позволяет увеличить минимальную дальность действия, но также означает, что в космос в течение заданного времени отправляется меньше радиоэнергии, что снижает силу обратного сигнала. Аналогичным образом, уменьшение PRF с целью увеличения дальности приводит к тому, что система тратит больше времени на прослушивание, а также снижает общий объем передаваемой энергии. Это означает, что по своей сути сложно создать радиолокационную систему, способную видеть небольшие объекты на больших расстояниях, особенно такую, которая также может обнаруживать эти объекты на более коротких расстояниях. С современной электроникой относительно просто обеспечить радару различные ЧПИ и рабочие циклы, чтобы обеспечить работу в широком диапазоне диапазонов, но с ламповой электроникой 1950-х годов это было чрезвычайно дорого.

Существует также механическое воздействие, которое также влияет на возвращаемый сигнал. Антенна радара обычно устроена таким образом, чтобы создавать очень узкий луч для улучшения углового разрешения. Ширина луча от 2 до 5 градусов является обычной для радаров дальнего действия. С шириной луча тесно связана скорость вращения антенны, поскольку она также определяет количество времени, которое вращающийся радар потратит на рисование данного объекта при каждом сканировании. Например, рассмотрим радар с шириной луча в один градус и антенной, которая вращается каждые десять секунд, или 36 градусов в секунду. Объект будет окрашен лучом всего за 1/36 секунды, пока над ним пройдет луч в один градус. Если радар имеет PRF 500, объект будет окрашен максимум 14 импульсами за сканирование.

Более того, радиолокационные системы времен Холодной войны были далеки от совершенства. Система создавала видимую вспышку на дисплее оператора тогда и только тогда, когда она получала достаточную отдачу с достаточной энергией, чтобы превысить фоновый шум системы. Атмосферные условия, электронные помехи от внутренних компонентов и другие факторы иногда создавали ложные сигналы, известные как «беспорядок», скрывали реальные сигналы или затрудняли правильную интерпретацию сигналов оператором.

Эти конструктивные характеристики и восприимчивость к сбоям в совокупности определяют всплеск/сканирование радара.

Как избежать обнаружения

Радары рисуют своим сигналом только часть неба. На этом изображении желтая поверхность представляет собой наименьшие углы, на которые может нацеливаться радар, исходя из необходимости избегать отражений от местной местности. Фиолетовая поверхность — это максимальный угол, на который способна антенна, часто от 30 до 45 градусов. Красная поверхность — это максимальная дальность действия радара, которая является фактором многих проектных решений. В этом примере самолет, летящий на большой высоте, можно будет обнаружить только в течение короткого времени, пока он пройдет через небольшое кольцевое кольцо между красной и фиолетовой поверхностями. Самолет также может приблизиться к радару под желтой поверхностью.

Чтобы понять, как эти различные эффекты можно использовать, чтобы избежать обнаружения, полезно рассмотреть реальный пример. В обсуждаемый период времени одной из самых распространенных РЛС на советском флоте была РЛС П-20 и различные ее модификации. Его ЧПИ составляла от 375 до 750 импульсов в секунду в зависимости от режима, его антенна вращалась со скоростью около 6 об/мин и имела угловую ширину луча 2 градуса. По цели размером с бомбардировщик, летящей на обычных высотах, она будет иметь дальность обнаружения порядка 250 километров (160 миль). Максимальный угол высоты составлял 28 градусов, что означало, что значительная часть территории над станцией не сканировалась.

Рассмотрим типичный реактивный самолет ранней эпохи, летящий со скоростью 1000 км/ч. При каждом полном обороте антенны, который занимает 10 секунд, самолет будет двигаться со скоростью 1000 км/ч = 278 м/с * 10 = 2780 м, чуть меньше 3 км. На дисплее с радиусом 300 км это представляет собой перемещение всего на 0,5% по всей поверхности дисплея (диаметром 600 км), создавая крошечный сегмент линии между двумя точками, который оператору легко интерпретировать как самолет.

Но если скорость цели увеличивается, ее движение становится более заметным в прицеле, что делает ее менее узнаваемой и ее сложнее отслеживать. На скорости 3 Маха (3500 км/ч на высоте 25 000 м) те же десять секунд движения занимают более 1,5% поверхности дисплея. В этот момент медленно движущаяся точка превращается в серию тусклых отдельных пятен, которые легче принять за беспорядок. Кроме того, поскольку пятна на дисплее разделены, отражения больше не «складываются», потенциально снижая отражения до того же уровня, что и фоновый шум, делая его невидимым.

Оператор, увидев линию маленьких точек на экране, может в конечном итоге распознать возвращающийся самолет. Чтобы помешать даже этому, самолеты были спроектированы так, чтобы летать как можно выше. Если предположить, что высокоскоростной самолет летит на высоте 90 000 футов или 27 км, это означает, что самолет будет находиться выше максимального угла радара, когда он приблизится к станции на расстояние примерно 100 километров (62 мили). Если предположить, что он впервые обнаружен на расстоянии 250 километров (160 миль), это означает, что он виден только на расстоянии 150 километров (93 мили). Это означает, что при скорости 3 Маха она будет видна даже теоретически в течение примерно 3 минут. Это оставляет очень мало времени для организации перехвата.

Отсюда и концепция использования сигнала/сканирования во избежание обнаружения. Высокоскоростной и высотный самолет может пролететь над радарами раннего предупреждения, не будучи распознанным. Более того, даже если оператор распознает в сигнале самолет, небольшое количество возвратов и быстрое движение по дисплею затруднит или сделает невозможным вручную рассчитать траекторию для ретрансляции на перехватывающий самолет.

Проекты самолетов

Подмена изображений/сканирований была обнаружена в конце 1950-х годов, когда наземный перехват пилотируемых перехватчиков был единственной практической тактикой борьбы с бомбардировщиками. Это само по себе привело к миниатюрной гонке вооружений, хотя и недолгой и безрезультатной.

Lockheed U-2 летел на большой высоте, но не на особенно большой скорости. Еще до того, как U-2 был введен в эксплуатацию в июне 1956 года, представители ЦРУ подсчитали, что ожидаемая продолжительность его жизни при безопасном полете над Советским Союзом до того, как Советы разработают меры противодействия, составит от 18 месяцев до двух лет. После того, как начались облеты и Советы продемонстрировали способность отслеживать U-2 и предприняли убедительные попытки его перехватить, эта оценка была скорректирована в сторону понижения; в августе 1956 года Ричард Бисселл сократил это число еще на шесть месяцев. На практике это окно оказалось немного длиннее; но общая суть была тревожно продемонстрирована в кризисе U-2 1960 года .

Замена U-2 рассматривалась еще до начала его боевых задач. Первоначально эти исследования были полностью сосредоточены на уменьшении эффек- тивного сечения радара (ЭПР), но после того, как Франклин Роджерс в 1957 году выдвинул идею подделки сигнала/сканирования, планы были изменены и вместо этого стали исследовать высокоскоростные высотные конструкции. Компания Lockheed подсчитала, что для того, чтобы быть эффективным против известных советских радаров, самолет должен двигаться со скоростью от 2 до 3 Маха на высоте 90 000 футов и иметь ЭПР около 10 квадратных метров. Это привело к ряду предложений, которые были отклонены от Lockheed A-12 и Convair Kingfish .

Именно во время разработки этих самолетов стали очевидны проблемы с предотвращением бликов/сканирований. Было обнаружено, что высокотемпературные выхлопы этих авиационных двигателей отражают радиолокационную энергию на определенных длинах волн и некоторое время сохраняются в атмосфере. Советы могли бы модифицировать свои радары, чтобы использовать эти частоты и тем самым косвенно, но надежно отслеживать цели.

Также стало понятно, что предотвращение бликов/сканирований больше зависело от проблемы советских дисплеев, чем от какой-либо внутренней проблемы самого радара. Это означало, что изменение дисплеев могло сделать эту технику спорной. Система, которая регистрировала отражения радара в компьютере, а затем рисовала цели на дисплее в виде значка, яркость которого не зависела от физического отражения (система, в которой отражения не должны были «складываться», чтобы появиться на дисплее ) исключил возможность путаницы оператора. Это вызывало особую тревогу, поскольку ВВС США сами находились в процессе внедрения именно такого типа дисплея в рамках своего проекта SAGE .

Наконец, появление первых эффективных зенитных ракет кардинально изменило игру. Радары для планирования воздушного перехвата обычно делались как можно более дальнего действия, чтобы дать операторам достаточно времени для наведения самолета-перехватчика на цель, когда она перемещалась по дисплею. Это привело к низкому соотношению «блики/сканирование» и неточному прогнозированию траекторий самолетов. Это усугублялось трудностью быстрого поднятия в воздух самолета-перехватчика.

Ракеты решили обе эти проблемы. Ракетные станции управляли своими ракетами с помощью собственных радиолокационных систем, максимальная дальность которых лишь немного превышала дальность полета собственной ракеты, около 40 км в случае Руководства SA-2 ; следовательно, у них были гораздо более высокие PRF, и в результате проблемы со сбоями/сканированием были значительно уменьшены. У обороняющихся по-прежнему будет проблема вовремя обнаружить цель, чтобы подготовиться к ракетной контратаке, но это ни в коем случае не так сложно и не так отнимает много времени, как поднять пилотируемый самолет в воздух и полагаться на оператора радара, который наведет их на цель раньше самолета. левый диапазон радара.

К моменту ввода в эксплуатацию А-12 в начале 1960-х годов метод предотвращения бликов/сканирования уже не считался полезным. А-12 никогда не летал над Советским Союзом (хотя был близок к этому) и ограничивался миссиями против других стран, таких как Вьетнам . Даже здесь характеристики самолета оказались сомнительными, и А-12 несколько раз подвергались атакам ракетами SA-2, получив незначительные повреждения в одном полете 30 октября 1967 года.

Ссылки

Библиография

• Предполагаемый преемник U-2: проект Oxcart, 1956–1968 гг. (Технический отчет). ЦРУ. Октябрь 1994 года.
• Радартуториал
• Томас МакИнинч, «История бычьей повозки». Архивировано 4 октября 2013 г. в Wayback Machine , Studies in Intelligence 15 (зима 1971 г.), выпущено в 1994 г. Проверено: 10 июля 2009 г.
• Грегори Педлоу и Дональд Вельценбах, Центральное разведывательное управление и воздушная разведка: программы U-2 и OXCART, 1954–1974 гг ., Глава 6, «Предполагаемый преемник U-2: проект Oxcart, 1956–1968». Вашингтон, округ Колумбия: Центральное разведывательное управление, 1992. Дата обращения: 2 апреля 2009 г.

Дальнейшее чтение

• Королева, Флорида; Мэн, Э.Э.-младший, Система подсчета коэффициентов сканирования , 1974, Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, округ Колумбия.