В радиолокационных системах отношение блипа к сканированию , или метка / сканирование , представляет собой 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]
«Blip» относится к точкам, нарисованным на радарах раннего предупреждения на основе индикаторов планового положения (PPI). «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 в радиолокационной сигнатуре также известно как эффект Роджерса в честь его сторонника в США Франклина Роджерса. Lockheed U-2 был намечен , чтобы заменить гораздо быстрее и скрытно Lockheed A-12 по этой причине. Однако модернизация советских радиолокационных систем увеличила их соотношение между точками и сканированием, что сделало А-12 устаревшим до того, как его можно было развернуть. [3]
Основы радара
Классические радиолокаторы измерение диапазона по времени задержки между отправкой и приемом импульсов радио сигналов, а также определить угловое местоположение с помощью механического положения антенны в момент принимается сигнал. Чтобы сканировать все небо, антенну вращают 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 на время задержки. Результат - двумерное воссоздание воздушного пространства вокруг антенны. Такой дисплей называется индикатором планового положения, обычно просто «PPI».
Эти точки называются всплесками . В оптимальных условиях каждый импульс, посланный радаром, будет возвращен, и на экране появится мигание. 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 радиолокационных дисплеях времен холодной войны люминофорные покрытия на ЭЛТ были смешаны, так что их период полураспада был 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 дисплее можно было бы ожидать три или четыре таких сообщения. Оператор мог легко определить направление движения от самого тусклого до самого яркого пятна.
Соотношения бликов / сканирований
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 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 ждать 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 посылал 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 возможной частоту повторения импульсов 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 радара 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. Точно так же уменьшение PRF для 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 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 для 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 радар имеет частоту повторения импульсов 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 отдачи 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 появление / сканирование радара.
Как избежать обнаружения
Чтобы понять, как можно использовать эти различные эффекты, чтобы избежать обнаружения, полезно рассмотреть реальный пример. В течение рассматриваемого периода времени одной из самых распространенных радаров в советском флоте была РЛС П-20 и ее 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 возвращаемый самолет 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 в пределах 100 км (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 бы оператор распознал в метке 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 в режиме Blip / Scan был обнаружен в конце 1950-х годов, когда наземный перехват пилотируемых перехватчиков был единственной практической тактикой против бомбардировщиков. Это привело к миниатюрной гонке вооружений, хотя и непродолжительной и безуспешной.
Локхид У-2 летал на большой высоте , но не особенно высокой скорости. Еще до того, как U-2 вступил в строй в июне 1956 года, представители ЦРУ подсчитали, что ожидаемая продолжительность его жизни для безопасного полета над Советским Союзом до того, как Советский Союз разработает контрмеры, будет 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 года Ричард Биссел сократил это число до шести месяцев. [5] На практике это окно оказалось немного длиннее; но общая мысль была тревожно продемонстрирована во время кризиса U-2 в 1960 году .
Замена U-2 рассматривалась еще до начала его боевых задач. Первоначально эти исследования были полностью сосредоточены на уменьшении поперечного сечения радара (RCS), но после того, как Франклин Роджерс представил идею подделки метки / сканирования в 1957 году, планы были изменены на исследование высокоскоростных высотных конструкций. Lockheed подсчитала, что для того, чтобы быть эффективным 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 пользу Lockheed A-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 отражает энергию радара на определенных длинах волн и некоторое время сохраняется в атмосфере. Советы могли бы модифицировать свои радары для использования этих частот и тем самым косвенно, но надежно отслеживать цели.
Было также понято, что, поскольку предотвращение появления бликов / сканирования в большей степени зависело от проблемы советских дисплеев, а не принципов работы радара, изменение этих дисплеев могло сделать методику спорной. 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 вызывало особую тревогу, потому что ВВС США находились в процессе внедрения именно такого рода дисплеев в рамках своего проекта SAGE .
Наконец, введение первых эффективных зенитных ракет кардинально изменило правила игры. Радиолокаторы для определения воздушного перехвата обычно делались как можно более дальними, чтобы у операторов было достаточно времени, чтобы направить перехватывающий самолет на цель, когда она двигалась по дисплею. Это привело к низкому соотношению бликов / сканирований и неточному прогнозированию траекторий самолетов. Это усугублялось трудностью быстрого преодоления препятствий самолетам-перехватчикам.
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 Руководства SA-2 ; поэтому у них были гораздо более высокие значения PRF, и в результате проблемы с метками / сканированием были значительно уменьшены. 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 и трудоемким, как подгонка 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, методика предотвращения бликов / сканирования перестала считаться полезной. A-12 никогда не пролетал над Советским Союзом (хотя и был близок к этому) и был ограничен в полетах против других стран, таких как 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
- ^ коэффициент кратковременного сканирования
- ^ Патент США 5535303 , см «Описание предшествующего уровня техники»
- ^ "The Oxcart Story" , CIA, p. 267
- ^ Mcininch 1971, стр. 2
- ^ Преемник
- Предполагаемый преемник U-2: Project Oxcart, 1956-1968 гг.
- Radartutorial
- Томас МакИнинч, «История быка» , « Исследования в интеллекте» 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 , 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
- Queen, FD; Мэн, Е. Э., мл., Система оценки соотношения бликов и сканирований , 1974, Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, округ Колумбия.