dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Сигнатура – это такой “след” (условно, конечно), характеризующий некоторый объект. Сигнатуры могут быть уникальными, а объекты, с ними связанные, не обязательно материальны: например, термин “сигнатура” используют в отношении компьютерных вирусов.

В радиолокации сигнатурой можно назвать некоторый набор характеристик отражённого целью сигнала, принятого радаром. Интересно, что параметры этой сигнатуры весьма полезны, так как дают в руки разработчикам инструмент, позволяющий распознавать цели. И в этом работа мат.обеспечения РЛС в чём-то напоминает работу антивирусных сканеров. Правда, задача с РЛС несколько сложнее.

Понятно, что распознавание типов целей – это весьма важная функциональность. Скажем, в самом простом случае РЛС, наблюдающая цель с помощью приёма отражённых сигналов, показывает эту цель оператору (или, скажем, пилоту истребителя) в виде некоторой отметки на экране. Сама по себе отметка ни о чём не говорит, что не есть хорошо.

В принципе, первым шагом на пути улучшения информационного потока будет добавление к отметке информации о курсе цели, скорости и дальности (эту информацию с готовностью предоставляет радар). Система опознавания “свой-чужой” добавит к отметке “штрихи” государственной принадлежности цели (тоже важно, правда?).

Но этого мало. Хотелось бы видеть, какая именно модель истребителя скрывается за вражеской отметкой. Тут и может пригодиться “анализ сигнатуры“. Оказывается, что отражённый тем или иным истребителем сигнал приобретает некоторую “внутреннюю” структуру, которая имеет достаточно уникальные черты. Связано это с тем, что в формирование отражённого сигнала вносят вклад разные агрегаты и поверхности облучаемой цели, и различная конфигурация этих поверхностей/агрегатов будет давать различный сигнал. При этом для самолётов одного типа сигналы будут похожи, так как форма и устройство этих самолётов практически совпадают в основных чертах. Правда, есть большая проблема: при наблюдении с разных ракурсов сигнатура будет меняться самым разительным образом.

Поэтому весьма ценную информацию можно собрать, если понаблюдать полёты истребителей “вероятного противника” с разных ракурсов, при помощи хорошей РЛС. Например, наблюдая за учениями или за передвижением какой-нибудь авианесущей группы в нейтральных водах Мирового Океана.

Собранные сигнатуры сохраняются в специальной базе данных (почти как с антивирусными сканерами), которая позже входит в состав программного обеспечения РЛС. Впоследствии РЛС может подсказать тип и модель цели, сверяясь с базой данных.

Впрочем, это только один из теоретических способов.

(Фото: Raytheon)

На днях Ratheon достался правительственный контракт на $400,000,000 по созданию радара для систем ПРО, размещаемых Штатами в Европе. Это тот самый радар в Чехии, насчёт которого уже много спорили на самых разных уровнях, и, собственно, спорить продолжают. Работы по развёртыванию радара в рамках контракта планируют завершить к 2013 году. Для чего?

(Картинка: Raytheon)

Действительно, часто спрашивают, какая такая особенная польза от подобного радара для ПРО, особенно, когда есть спутники на орбите?

Польза, вообще говоря, очень большая (это помимо того, что радар никогда не бывает лишним):

Например, каждый дополнительный ракурс наблюдения за целями добавляет точности системам наведения, а значит – растёт эффективность ПРО.

Имея несколько каналов для сопровождения целей, можно обслуживать большее число этих самых целей одновременно, то есть, опять растёт эффективность ПРО.

Спутники – довольно далеко на орбите, а для связи с ними нужны дополнительные радиоканалы (падает надёжность). А с наземной станции можно быстрее передавать данные целеуказания противоракетам (думаю, понятно, что тут каждая сотня миллисекунд на счету).

Более того, наземный радар может эффективно подсвечивать цели, в том числе и для наблюдения их со спутников (вспомните про бистатическую радиолокацию).

В продолжение темы “Стелс” и малой заметности истребителей: известно, что одним из основных устройств на борту истребителя является РЛС, потому что слепой самолёт, по нынешним временам, бесполезен. РЛС на борту даже может быть несколько, и каждая – с антенной. Традиционно самая большая антенна РЛС располагается под носовым обтекателем истребителя.

И если сам истребитель малозаметен для радаров, из-за правильно подобранной формы агрегатов и верно спроектированных материалов, то как быть с этой антенной? Ведь при облучении с передней полусферы антенна будет очень хорошо “отсвечивать”, то есть возвращать отражённый сигнал радарам противника. Казалось бы, это неустранимая проблема, так как сама “природа” антенн для приёма радиосигналов мешает снижению заметности.

Тем не менее, способы решения есть. Например, если в РЛС используется фазированная антенная решётка – ФАР (лучше активная ФАР), то антенну можно зафиксировать под острым углом к продольной оси самолёта. Это снизит уровень отражённого сигнала по крайней мере с самых выгодных для противника ракурсов. Если взглянуть на некоторые современные РЛС с АФАР для истребителей, то именно такое положение антенны и наблюдается:

(APG-81, Northrop Grumman)

Что ещё можно сделать? Вообще говоря, хорошо бы закрыть антенну колпаком нужной формы, который будет отражать падающее излучение преимущественно в сторону от источника. Правда, под таким колпаком антенна хоть и снизит свою заметность, но и принимать нужные для работы РЛС сигналы перестанет.

Выход есть: потребуется колпак (или экран) из хитрого материала, пропускающего только электромагнитные волны заданного диапазона и отражающего другие. То есть проходить сквозь колпак-экран будут только те самые сигналы, которые необходимы для работы РЛС.

Дальнейшим развитием этого направления является такой носовой обтекатель, параметры радиопрозрачности которого быстро изменяются по команде от систем самолёта, синхронно с работой РЛС. В принципе, нужные для реализации этой идеи материалы есть в лабораториях. Летают ли они уже – вот в чём вопрос.

Продолжение – в следующий раз. (А пока на пару дней в блоге dxdt.ru – перерыв.)

Про разные аспекты работы современных РЛС я уже написал несколько записок. Сегодняшняя записка – это развитие темы с бистатической радиолокацией, о которой, впрочем, рассказывалось ранее.

При бистатической радиолокации приёмная и передающая антенны разнесены в пространстве. Например, излучает сигнал передатчик, подвешенный на аэростате, а принимают сигналы станции на самолётах, барражирующих в сотне километров от аэростата. Такой подход позволяет более эффективно обнаруживать некоторые малозаметные летательные аппараты (“Стелс”).

Для подобной борьбы со “Стелс” может использоваться группа истребителей, “расставленных” в пространстве определённым образом. При этом, зондирующие сигналы излучает РЛС одного или нескольких истребителей, а остальные пытаются принять отражённый сигнал (в некотором “временном окне”, при этом зондирующий сигнал не обязательно представляет собой короткий импульс). Истребители в группе обмениваются информацией в реальном времени, и РЛС на каждом из них довольно точно “знают” местоположение всех истребителей группы и параметры только что переданного зондирующего сигнала. Эти данные позволяют вычислить координаты цели, если той или иной РЛС удалось принять отражённый от цели сигнал. Но интереснее всего, что координаты цели можно вычислить и если отражённый сигнал принять не удалось. Правда, для этого потребуется подходящая ситуация, например наблюдение на фоне поверхности. (Особенно хорошо работает над морями-океанами.)

Ну так вот, если вы подумали, что бистатическая радиолокация – это что-то исключительно “военное”, то это вы неправильно подумали. Дело в том, что бистатические системы используются радиоастрономами для изучения небесных тел, например астероидов. Правда, радиоастрономы подходят к вопросу с диктуемым их специальной областью космическим размахом: здесь передающая станция может находиться на одном континенте Земли, пара приёмных радиотелескопов – на двух других континентах, а “лоцируемый” небольшой астероид – вообще обычно летит со скоростью в десятки километров в секунду на расстоянии в несколько миллионов километров от передатчика “астрономической РЛС”. Для чего астрономам нужна бистатическая схема? А, скажем, для того, чтобы мощный передатчик меньше создавал помех приёмнику, что позволяет работать в непрерывном режиме.

Этот пример позволяет оценить возможности современной радиолокации.

Не так уж и давно я писал про форму антенн в РЛС с фазированной антенной решёткой. Резюме той записки такое: использование антенной решётки из многих элементов, снабжённых “управлением фазой”, позволяет создавать антенны самой разной формы: плоские, выпуклые или “ломанные”. Развитием темы является одно из важнейших достижений современной радиолокации (в том числе, используемое в современных бортовых РЛС) – антенны с синтезированной апертурой.

Проще всего понять, что такое синтезированная апертура, можно следующим образом: во-первых, нужно представить фазированную антенную решётку, диаграмма направленности которой формируется вращением фазы принимаемого (передаваемого) излучения в каждом элементе антенны; во-вторых, нужно обратить внимание на то, что, так сказать, с математической точки зрения вовсе и не обязательно, чтобы все элементы антенны были различными элементами.

На первый взгляд, это выглядит странно. Тем не менее, создать (теоретически – произвольную) нужную апертуру антенны можно, перемещая один единственный элемент по тем точкам пространства, в которых должна быть представлена “виртуальная” решётка. Апертура, созданная перемещением приёмо-передающего элемента, и есть та самая синтезированная апертура.

Можно сказать, что с математической стороны задача синтезирования сводится к определению характеристик некоторых электромагнитных полей по результатам измерений, сделанных в нескольких точках пространства в разное время. Задача местами сложная, но вполне разрешимая (особенно когда измеряется отражённое излучение от источника, характеристики которого соответствуют некоторым требованиям, – это как раз случай с РЛС).

На практике применение синтезирования апертуры выглядит, например, так: радиолокатор бокового обзора, установленный на самолёте, записывает принимаемое с заданного направления отражённое излучение на протяжении некоторого участка траектории самолёта (“интервал синтезирования”) – после соответствующей обработки записанной “сигнальной информации” можно получить данные по наблюдаемым объектам с разрешающей способностью, близкой к разрешающей способности физической антенны с размером апертуры, совпадающим с дистанцией, которую преодолел самолёт за время синтезирования.

Иными словами, сильно утрируя, можно сказать: если самолёт за время синтезирования апертуры пролетел десять метров, то и полученная “картинка” будет иметь разрешающую способность, аналогичную десятиметровой “зеркальной антенне” (а это уже что-то вроде небольшого радиотелескопа). Понятно, что десятиметровую антенну можно разместить далеко не на всяком самолёте.

Конечно, на практике синтезирование апертуры сталкивается с целым рядом проблем. Например, требуется очень точная информация о положении приёмника (передатчика) в пространстве в каждой “точке отсчёта” (отсюда повышенные требования к навигационным системам и стабильности полёта). Понятно, что лучше всего антенна с синтезированной апертурой подходит для наблюдения за “статичными сценами” (дело в том, что быстро движущийся объект наблюдения за время интервала синтезирования существенно изменит своё положение в пространстве, что приведет ко всяким “хитрым эффектам” в итоговых данных). Поэтому отличные результаты у РЛС с синтезированной апертурой традиционно получаются при картографировании поверхности.

Интересно, что синтезированная апертура сама собой напрашивается для использования в РЛС, размещённых на околоземных спутниках, ведь их орбита весьма стабильна и хорошо просчитывается.

В бортовых РЛС с АФАР для современных истребителей “синтезированием апертур” могут заниматься несколько элементов антенны, выделенных для этой задачи управляющей ЭВМ. Типичная задача – “фоновое” картографирование поверхности с обнаружением наземных движущихся целей.

Думаю, что правильно будет развить тему с АФАР (Активной Фазированной Антенной Решёткой – более подробно о том, что такое АФАР, я писал в отдельной заметке ранее).

А добавить нужно вот что: каких-то сомнений в том, что перспективные бортовые РЛС истребителей будут только с АФАР – нет.

АФАР обладает во много раз большим потенциалом по повышению чувствительности. Дело в том, что пассивная ФАР, использующая один приёмо-передатчик, вынуждена мириться с очень существенными потерями энергии в волноводах и фазовращателях. В АФАР непосредственно по антенне распределены отдельные приёмо-передатчики – и потери энергии минимальны.

(На фото: РЛС c АФАР APG-81, Northrop Grumman.)

АФАР можно сделать очень надёжной, так как выход из строя нескольких приёмо-передатчиков не ведёт к потере работоспособности радара: приёмо-передающих модулей в антенне много сотен и вполне можно выполнять задачи с десятком неработающих. В случае с пассивной ФАР выход из строя единственного приёмо-передатчика (а этот приёмо-передатчик там очень мощный и, скорее всего, поэтому капризный) приведёт к тому, что самолёт ослепнет.

Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только действительно параллельно обслуживать несколько целей, но и, скажем, параллельно с обзором пространства ставить помехи радарам противника. Достигается это тем, что независимые приёмо-передатчики управляющим компьютером РЛС делятся на группы, и каждая группа получает свой режим работы. При этом параллелизм достигается и по приёму, и по передаче. (Правда, там возникают проблемы по взаимному влиянию модулей, но эти проблемы решаемы).

Думаю, очевидно, что РЛС с пассивной ФАР, имеющая только один приёмо-передатчик, обрабатывающий суммарный сигнал со всей антенны, в принципе не может обеспечить настоящий параллелизм. (Там только можно пытаться быстро переключать режимы – а это совсем другая история, в точности совпадающая с “параллельной” многозадачностью на однопроцессорной ЭВМ.)

Так как вычислительная система радара с АФАР получает более подробную информацию о характеристиках принятого сигнала (много приёмников), то только с помощью цифровой обработки можно существенно улучшить характеристики антенны.

Прежде всего, возрастает разрешающая способность. Но есть и другие важные моменты: например, существуют алгоритмы, которые позволяют вычислительными методами уменьшить чувствительность системы в целом по боковым лепесткам (это очень важная практическая задача). Другие алгоритмы позволяют “затенить” источник помех.

Изобретательное управление лучами АФАР приводит к проблемам у помехопостановщиков противника, потому что они, скажем, не могут определить, куда в данный момент “смотрит” РЛС.

Для пассивной ФАР, а тем более для других устаревших типов антенн, решение этих задач не под силу.

Кстати, хорошая авиационная РЛС с АФАР может параллельно сопровождению нескольких целей картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения. На картинке ниже – результат картографирования территории аэропорта, полученный, как пишет Northrop Grumman, с помощью РЛС APG-81:

Если используемая для наблюдения за противником среда – общая, то ждите помех, потому что плох тот противник, который не помешает за собой наблюдать. (В соответствии с проведённым в ЖЖ опросом, первая заметка про помехопостановку.)

Помехи бывают самые разные. Например, из очень древних сказаний известно, что ещё до появления огнестрельного оружия противника пытались ослеплять блеском щитов. Впрочем, это, скорее всего, просто сказка (с намёком, понятное дело). А вот известные с давних времён дымовые завесы – однозначная быль, на практике служившая для создания эффективных помех визуальному обнаружению.

(На фото выше – постановка дымзавесы эсминцем, 1944-й год. Заметьте, что янки на корабле грамотно подготовились к отражению воздушной атаки, заняв все посты.)

Кстати, дымзавесы в той или иной форме применяются и сейчас, работая вовсе не только против “визуального обнаружения”. Но всё ж, самое бурно развитое направление – это постановка помех в радиоэфире, с помощью электромагнитного излучения. Почему? Потому что ключевые средства наблюдения/наведения сейчас радиолокационные, а эфир – заведомо общий, по законам природы.

Постановкой помех работе радиолокаторов занимаются специальные, очень хитрые, хорошо компьютеризированные устройства – помехопостановщики. Дело в том, что простой и широкий “шум в эфире” – это не слишком эффективное средство: во-первых, может мешать своим; во-вторых, может фильтроваться противником; в-третьих, по источнику такой помехи можно наводить ракету (что втройне неприятно); в-четвёртых, требуется много энергии; и т.д. Поэтому современные помехопостановщики действуют по сложным алгоритмам.

Например, помехопостановщик принимает зондирующие сигналы от радара противника и эти сигналы тщательно анализирует, разбирая на составляющие. Часто, по характеристикам принятого импульса (а лучше – нескольких импульсов), можно вычислить класс и назначение радара, действующий режим работы радара, а во многих случаях, когда под рукой есть подходящая база данных, можно определить тип и модель того изделия, на котором этот радар установлен. Определив максимум параметров радара противника, помехопостановщик принимается за сами помехи, подбирая их под тип атакуемого устройства.

Зондирующие импульсы современных радаров имеют непростое кодирование и сложную модуляцию. Сами радары, оснащённые быстрыми компьютерами, работают по сложным алгоритмам. Все эти сложности сделаны и для того, чтобы бороться с помехами. Со своей стороны, постановщики помех изобретают ещё более сложные алгоритмы, позволяющие ещё более быстрым компьютерам раскрывать сигнальные хитрости радаров и генерировать эффективные помехи. В сугубо теоретической области развитием этого противоборства управляет такая математическая дисциплина, как теория игр.

В сугубо практической области без оборудования помехопостановки не обходятся даже военно-транспортные самолёты, а подлететь, проявляя радарную активность, на разумное расстояние к, скажем, сколь-нибудь большой группе кораблей потенциального противника и не получить при этом облако, а вернее – тучу помех, не выйдет даже в мирное время. На фото: антенны станции РЭБ (радиоэлектронной борьбы) военного корабля:

(Фото: Raytheon)

Например, помеха радару системы наведения может быть поставлена таким способом: принятый и записанный помехопостановщиком зондирующий импульс локатора противника излучается обратно, в направлении этого локатора, спустя некоторое время. Импульс может возвращаться без изменений, но лучше, если его немного “подредактировали”. В теории, в зависисмости от момента времени и режима работы атакуемого радара, такая помеха может быть воспринята радаром как дополнительная цель или как единственная цель, вместо “действительной”.

Интересно, что при этом радар противника может совсем неверно вычислить координаты цели-помехи и они не будут совпадать с положением в пространстве помехопостановщика. Впрочем, ошибочные координаты как раз могут быть использованы для отстройки от помех (так сказать, “второй ход в игре”) – но это уже история за рамками нашей заметки.

Помехопостановщик может выдавать “ложные цели”, прятать настоящие цели (например, нарушая работу процедур определения дальности и азимута цели у радара противника), и, скажем, срывать сопровождение цели радиолокационной системой наведения (для этого, на основе анализа сигнала радара, генерируется сложная помеха, характеристики которой коррелируют с работой системы наведения противника). На практике, понятно, ситуация ещё сложнее, и уже много лет выигрывает тот, кто хитрее работает с помехами (не только ставит их, кстати).

Помехопостановщик может представлять собой отдельную, достаточно большую систему, расположенную на собственном шасси (если это сухопутный комплекс). Довольно мощные системы помехопостановки подвешиваются к истребителям в специальных контейнерах – такая система может работать вместе с локатором системы управления вооружением истребителя:

Для ведения радиоэлектронной борьбы готовятся и специализированные самолёты. Например, на базе истребителей: на фото ниже – EA-18 Growler ВМФ США, самолёт РЭБ, созданный на базе истребителя F/A-18 Super Hornet.

(Фото: Boeing Media)

Продолжение – в следующий раз.

В блоге на Aviation Week пишут, что шведские разработчики, в лице Saab Microwave Systems, готовы предложить на рынок РЛС для обнаружения малозаметных целей (тех, которые “Стелс”). Речь там идёт о “разнесённой радиолокации”, при этом идею почему-то представляют как новую, хотя именно идея-то вовсе не нова, да и практические реализации имеются. В общем, как раз повод для очередной заметки о радарных хитростях.

Суть шведского предложения: система использует разнесённые в пространстве передатчики и приёмники, действующие согласованно. Один из ключевых аспектов современных технологий “Стелс” вот в чём: форма малозаметного для радаров объекта выбирается таким образом, что падающие на него радиоволны в основном отражаются не в сторону источника, а куда-нибудь в другую сторону. То есть если воздушный радар облучает летящий истребитель “Стелс” “со стороны носа” (с передней полусферы), то обратно к радару от истребителя возвращается минимум излучённой энергии. При этом энергия, пришедшая от радара, конструкцией истребителя полность не поглощается (с поглощением достаточно длинных волн – в сантиметры, – вообще возникают существенные трудности), а отражается в другом направлении, например вниз, к земле. Кроме того, в определенных направлениях возникают “тени”, то есть, самолёт как бы загораживает луч передатчика. Эту тень также можно использовать для обнаружения цели.

(U.S. Air Force Photo)

Теперь представим, что мы облучаем истребитель “Стелс” “со стороны носа”, но при этом принимаем отражённый сигнал вовсе не там, где передатчик, а другим приёмником, расположенным на земле, как раз в том месте, куда от “Стелса” отражаются радиоволны, излучаемые нашим радаром. Понятно, что если в поле излучения передатчика никакого “Стелса” нет, то импульсы будут “улетать” далеко, в направлении ионосферы, и к нашему наземному приёмнику могут и вовсе не вернуться. Но вот если “невидимый” истребитель попал в поле действия системы, то приёмник тут же начнёт получать отражённый сигнал.

Теперь предположим, что таких приёмников у нас много, они работают вместе с несколькими передатчиками, всё хозяйство объединено в вычислительную сеть, а сигналы передатчиков кодируются так, что приёмник может определить, импульс какого передатчика он принимает (это всё давно известно как реализовать). Так как система в целом знает местоположение передатчиков и приёмников и знает, когда какой импульс излучался, то по распределению во времени и пространстве отражённых сигналов можно вычислить координаты “невидимой” цели.

Да, точность такой системы, вообще говоря, будет хуже, чем в “традиционном случае”, но всё равно можно добиться практически важной точности определения координат цели (до десятков метров).

(Lockheed Martin)

Вот, собственно, если верить исходному сообщению, такая система и предлагается Saab. Важная хитрость в том, что цена для такой РЛС названа очень небольшая – всего лишь полторы сотни миллионов долларов. На первый взгляд – много, но надо учитывать, что столько же стоит один F-22 Raptor, а каждый бомбардировщик “Стелс” B-2 Spirit обошёлся более чем в миллиард долларов.

Да, а идея радиолокации с разнесёнными в пространстве приёмником и передатчиком, мягко говоря, не нова. Из актуальных и реализованных сейчас в разных системах практических применений можно назвать вот какие:

Например, бортовые РЛС истребителей могут подсвечивать цель для, например, наведения ракеты. В этом случае облучает цель передатчик РЛС истребителя (он более мощный), а приёмник РЛС головки наведения ракеты принимает отражённые от цели сигналы и наводится по ним. Выгоды: ракету можно запускать с большей дальности; ракета некоторое время работает в пассивном режиме, не раскрывая, так сказать, своё присутствие.

Другой вариант: в группе согласованно действующих истребителей цель подсвечивает один, а наводится (атакует) по отражённым сигналам – другой. В этом случае атакующий истребитель также, можно сказать, до последнего момента не раскрывает своих намерений.

Ну и понятно, что можно подсвечивать цель с земли. И, наверное, очевидно, что во всех только что описанных случаях действующие в группе летательные аппараты должны обмениваться информацией между собой.

Не так давно мы взглянули подробнее на АФАР (активную фазированную антенную решётку). В той заметке упоминается, что ФАР вообще (АФАР – в частности) может иметь разную форму, а чтобы получить нужную диаграмму направленности (то есть чувствительность антенны по разным направлениям) вовсе не обязательно “изгибать” саму антенну, достаточно уметь управлять фазами сигналов. Если говорить точнее и о приёме сигнала, то достаточно получать “синхронную” информацию о фазе сигнала на некотором наборе элементов антенны – это позволит позже, при обработке сигнала, как бы придать антенне нужную форму, сформировав подходящую диаграмму. Антенна при этом не обязательно должна быть плоской, или, скажем, параболической.

В этой особенности есть немало пользы. Одна из них вот в чём: для получения хорошей точности работы РЛС по некоторым параметрам (например, по угловым разрешениям) просто необходима “большая антенна”. Точнее, большая апертура антенны, то есть, грубо говоря, если используется круглая ФАР, то она должна иметь большой диаметр. Между тем, уместить огромный диск антенны на небольшой самолёт (например, истребитель) малореально. Особенно если вспомнить, что эта антенна должна смотреть вперёд.

Оказывается, использование АФАР (и, в принципе, ФАР, – правда, тут будет больше технологических сложностей) позволяет побороть эту трудность. Например, элементы АФАР можно расположить вдоль передней кромки крыла. Размах крыла современного истребителя обычно составляет 10-15 метров, что создаёт большой простор для апертуры антенны.