Отношение кратковременного изображения к сканированию - Blip-to-scan ratio

В радар системы, отношение блипа к сканированию, или же всплеск / сканирование, - это отношение количества раз, когда цель появляется на экране радара, к количеству раз, когда она теоретически может быть отображена.^[1] В качестве альтернативы его можно определить как отношение количества сканирований, в которых получен точный результат, к общему количеству сканирований.^[2]

«Вспышка» относится к точкам, нарисованным на радары раннего предупреждения на основе индикатор положения плана (PPI) отображается. «Сканирование» - это однократный поиск всего неба с помощью вращающейся антенны. Радар с низким соотношением бликов к сканированию получает лишь несколько отражений от объекта (в основном от самолета), что затрудняет его обнаружение.

Для самолета, летящего на высокой скорости и высоте, это отношение еще больше уменьшается, что делает его почти невидимым для радаров. Это изменение сигнатуры радара также известно как Эффект Роджерса в честь его сторонника в США Франклина Роджерса. В Локхид U-2 должен был быть заменен более быстрым и незаметным Локхид А-12 именно по этой причине. Однако модернизация советских радиолокационных систем увеличила их соотношение между точками сканирования и сканированием, что сделало А-12 устаревшим до того, как его можно было развернуть. ^[3]

Основы радара

Классические радары измеряют дальность, рассчитывая задержку между отправкой и получением импульсов радио сигналов и определяют угловое положение по механическому положению антенны в момент приема сигнала. Чтобы сканировать все небо, антенна вращается вокруг своей вертикальной оси. Возвращенный сигнал отображается на круглом электронно-лучевая трубка который создает точки под тем же углом, что и антенна, и смещенные от центра на время задержки. Результат - двумерное воссоздание воздушного пространства вокруг антенны. Такой дисплей называется индикатором планового положения, обычно просто «PPI».

Эти точки известны как вспышки. В оптимальных условиях каждый импульс, посланный радаром, будет возвращен, что приведет к отображению на экране светового сигнала. Более крупные объекты возвращают более сильные сигналы и, следовательно, дают более яркие вспышки. Более медленный самолет также дает более яркие вспышки, потому что многие возвратные изображения отображаются примерно в одном и том же месте на дисплее, «складываясь».

На Холодная война эры радарных дисплеев люминофорные покрытия на ЭЛТ были смешаны так, чтобы они имели период полураспада порядка скорости вращения антенны. Это означало, что дисплей будет показывать последние отражения от данного объекта в виде ярких пятен, а более старые - как несколько более тусклых пятен по мере их исчезновения. В зависимости от скорости сканирования антенны на экране можно было бы ожидать три или четыре таких сообщения. Оператор мог легко определить направление движения от самого тусклого до самого яркого пятна.

Соотношения бликов / сканирования

Одной из ключевых характеристик всех радаров является частота следования импульсов (PRF), который определяет максимальный эффективный диапазон. Время между импульсами должно быть достаточно большим, чтобы один импульс мог достичь максимального диапазона системы, а затем вернуться до начала следующего импульса. Например, радар, рассчитанный на дальность действия 300 километров (190 миль), должен подождать 2 миллисекунды, чтобы импульс прошел максимальную дальность и вернулся со скоростью света (300 000 км / с). Это означает, что такой радар может посылать максимум 500 импульсов в секунду (PRF). Если бы радар излучал 1000 импульсов в секунду, было бы невозможно определить, исходит ли конкретное отражение от объекта, находящегося на расстоянии 150 км от только что отправленного импульса, или от объекта на расстоянии 300 км, отражающего предыдущий импульс. С другой стороны, для радара на 150 км требуется всего 1 миллисекунда; это делает возможным PRF 1000.

С PRF связана длина импульса или рабочий цикл. Это определяет минимальную дальность действия системы. Более длинные импульсы означают, что больше энергии может быть отражено объектом. 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 РЛС раннего предупреждения минимальная дальность, как правило, не важна, поэтому для увеличения отдачи используются более длинные импульсы, но тем не менее рабочий цикл был важным соображением при проектировании.

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

Существует также механический эффект, который также влияет на возвращаемый сигнал. Антенна радара обычно предназначена для получения очень узкого луча с целью улучшения углового разрешения. Ширина луча от 2 до 5 градусов обычна для радаров большой дальности. С шириной луча связана скорость вращения антенны, потому что она также определяет количество времени, которое вращающийся радар будет тратить на рисование данного объекта при каждом сканировании. Например, рассмотрим радар с шириной луча в один градус и антенну, которая вращается каждые десять секунд, или 36 градусов в секунду. Объект будет окрашен лучом только на 1/36 секунды, когда луч с одним градусом проходит по нему. Если у радара PRF 500, объект будет окрашен максимум 14 импульсами за сканирование.

Более того, радарные системы времен холодной войны были далеки от совершенства. Система создавала видимую вспышку на дисплее оператора тогда и только тогда, когда она получала достаточно сигналов 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 мешали оператору правильно интерпретировать сигналы.

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

Как избежать обнаружения

Радары рисуют своим сигналом только часть неба. На этом изображении желтая поверхность представляет самые низкие углы, под которыми радар может нацелиться, исходя из необходимости избегать отражений от местности. Пурпурная поверхность - это максимальный угол, который может достичь антенна, часто от 30 до 45 градусов. Красная поверхность - это максимальная дальность действия радара, что является фактором многих дизайнерских решений. В этом примере самолет, летящий на большой высоте, можно будет обнаружить только в течение короткого времени при прохождении через небольшое кольцевое кольцо между красной и фиолетовой поверхностями. Самолет также может приблизиться к радару под желтой поверхностью.

Чтобы понять, как можно использовать эти различные эффекты, чтобы избежать обнаружения, полезно рассмотреть реальный пример. В рассматриваемый период времени одним из самых распространенных радаров на советском флоте был РЛС. РЛС П-20 и его различные модифицированные версии. Он имел PRF от 375 до 750 PPS в зависимости от режима, его антенна вращалась со скоростью около 6 об / мин и имела угловую ширину луча 2 градуса. Против цели размером с бомбардировщик, летящей на обычных высотах, она будет иметь дальность обнаружения порядка 250 километров (160 миль). Он имел максимальный угол высоты 28 градусов, что означало, что значительная область над станцией не сканировалась.

Рассмотрим типичный реактивный самолет ранней эпохи, летящий со скоростью 1000 км / ч. При каждом полном повороте антенны, который занимает 10 секунд, самолет будет двигаться 1000 км / ч = 278 м / с * 10 = 2780 м, то есть немногим менее 3 км. На дисплее с радиусом 300 км это представляет собой движение всего 0,5% по лицевой стороне дисплея (диаметр 600 км), образуя крошечный отрезок линии между двумя точками, который оператор может легко интерпретировать как самолет.

Но если скорость цели увеличивается, ее движение становится более заметным на прицеле, что делает ее менее узнаваемой и более сложной для отслеживания. На скорости 3 Маха (3500 км / ч на высоте 25000 м) те же десять секунд движения составляют более 1,5% лица дисплея. В этот момент медленно движущаяся точка превращается в серию тусклых отдельных пятен, которые легче принять за беспорядок. Кроме того, поскольку пятна разделены на дисплее, возвратные сигналы больше не «складываются», потенциально снижая возвратные сигналы до того же уровня, что и фоновый шум, делая их невидимыми.

Оператор, увидев на экране линию маленьких точек, может в конечном итоге распознать возвращение как самолет. Чтобы расстроить даже это, самолеты были спроектированы так, чтобы летать как можно выше. Если предположить, что высокоскоростной самолет летит на высоте 90000 футов или 27 км, это означает, что самолет будет находиться выше максимального угла радара, когда он приближается к станции на расстоянии примерно 100 километров (62 миль). Если предположить, что он впервые обнаружен на расстоянии 250 километров (160 миль), это означает, что он виден только на расстоянии 150 километров (93 мили). На скорости 3 Маха это означает, что он будет виден даже теоретически в течение примерно 3 минут. Это оставляет очень мало времени на организацию перехвата.

Отсюда и концепция использования блипа / сканирования, чтобы избежать обнаружения. Высокоскоростной высотный самолет может пролететь над радарами раннего предупреждения, не будучи обнаруженным. Более того, даже если оператор распознал бы метку как самолет, небольшое количество возвратов и быстрое перемещение по дисплею сделало бы трудным или невозможным вручную вычислить траекторию для ретрансляции на перехватывающий самолет.

Проекты самолетов

Спуфинг Blip / Scan был обнаружен в конце 1950-х годов, когда наземный перехват пилотируемых перехватчики была единственной практической тактикой против бомбардировщиков. Это привело к миниатюрной гонке вооружений, хотя и непродолжительной и безуспешной.

В Локхид U-2 летел на большой высоте, но не с особенно большой скоростью. Еще до того, как U-2 вступил в строй в июне 1956 года, представители ЦРУ подсчитали, что его ожидаемый срок службы для безопасного полета над Советский союз до того, как Советский Союз разработает контрмеры, потребуется от 18 месяцев до двух лет.^[4] После того, как начались облеты и Советы продемонстрировали способность отслеживать U-2 и предприняли убедительные попытки перехватить его, эта оценка была скорректирована в сторону уменьшения; в августе 1956 г., Ричард Бисселл сократили количество до шести месяцев больше.^[5] На практике это окно оказалось немного длиннее; но общая мысль была тревожно продемонстрирована в U-2 Кризис 1960 года.

Вопрос о замене U-2 рассматривался еще до начала его боевых задач. Первоначально эти исследования были полностью сосредоточены на снижении радиолокационный разрез (RCS), но после того, как Франклин Роджерс представил идею подделки метки / сканирования в 1957 году, планы были изменены на исследование высокоскоростных высотных проектов. Lockheed подсчитала, что для того, чтобы быть эффективными против известных советских радаров, самолет должен лететь от 2 до 3 Махов на высоте 90000 футов и иметь RCS около 10 квадратных метров. Это привело к ряду предложений, которые были отклонены в Локхид А-12 и Convair Kingfish.

Именно во время разработки этих самолетов стали очевидны проблемы с предотвращением появления бликов / сканирования. Было обнаружено, что высокотемпературный выхлоп этих авиационных двигателей отражал энергию радара на определенных длинах волн и некоторое время оставался в атмосфере. Советы могли бы модифицировать свои радары для использования этих частот и, таким образом, косвенно, но надежно отслеживать цели.

Он также поняли, что с всплеском / избегание сканирования в большей степени опиралось на проблемах в советских дисплеях, а не в принципах радиолокации, изменение этих дисплеев может сделать технику спорным. Система, которая записывала отраженные сигналы радара на компьютере, а затем рисовала цели на дисплее в виде значка, яркость которого не зависела от физического отражения (система, в которой сигналы отражения не должны «складываться», чтобы отображаться на дисплее. ) исключил возможность путаницы с операторами. Это было особенно тревожно, потому что ВВС США сам был в процессе внедрения именно такого рода показа как часть их МУДРЕЦ проект.

Наконец, введение первых эффективных зенитные ракеты кардинально изменила игру. Радиолокаторы для определения места перехвата с воздуха обычно делались как можно более дальними, чтобы у операторов было достаточно времени для наведения перехватывающего самолета на цель, когда она двигалась по дисплею. Это привело к низкому соотношению бликов / сканирований и неточному прогнозированию траекторий самолетов. Это усугублялось трудностью быстрого взлета самолета-перехватчика.

Ракеты решили обе эти проблемы. Ракетные станции управляли своими ракетами с помощью собственных радиолокационных систем, максимальная дальность которых была лишь немного больше, чем собственная дальность полета ракеты, около 40 км в случае Руководство SA-2; поэтому у них были гораздо более высокие значения PRF, и в результате значительно сократились проблемы с метками / сканированием. У обороняющихся по-прежнему будет проблема с обнаружением цели вовремя, чтобы подготовиться к ракетной контратаке, но это ни в коем случае не было таким трудным или трудоемким, как взлом пилотируемых самолетов и использование оператора радара, который направит их на цель раньше, чем самолет. левый радиус действия РЛС.

К тому времени, когда A-12 был введен в эксплуатацию в начале 1960-х годов, техника предотвращения появления бликов / сканирования перестала считаться полезной. A-12 никогда не летал над Советским Союзом (хотя он был близок к этому) и был ограничен в полетах против других стран, например Вьетнам. Даже здесь летно-технические характеристики самолета оказались под вопросом, а А-12 несколько раз подвергались атакам ракет SA-2, в одном случае получив незначительные повреждения.

Рекомендации

• Предполагаемый преемник U-2: Project Oxcart, 1956-1968 гг.
• Radartutorial
• Томас МакИнинч, "История быка", Исследования в области интеллекта 15 (зима 1971 г.), выпущен в 1994 г. Дата обращения: 10 июля 2009 г.
• Грегори Педлоу и Дональд Велценбах, Центральное разведывательное управление и воздушная разведка: программы U-2 и OXCART, 1954 - 1974 гг., Глава 6, «Предполагаемый преемник U-2: Project Oxcart, 1956-1968». Вашингтон, округ Колумбия: Центральное разведывательное управление, 1992. Дата обращения: 2 апреля 2009 г.

дальнейшее чтение

• Queen, F. D .; Мэн, Э. Э., младший, Система оценки соотношения блипа и сканирования, 1974, Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, округ Колумбия.