В первой, второй и третьей частях разговора про радары мы обсудили историю их появления и бурного развития в годы Второй Мировой войны, в четвертой появление противовоздушных ракет и связанного с этим развития радаров и средств их подавления. В этой мы обсудим уже современные радары и зенитные ракетные системы.
Самонаводящиеся ракеты и радары подсвета цели
Все зенитные ракеты которые мы обсуждали до сих пор "наводились" на цель системой расположенной вне самой ракеты. Это позволяло удешевить и упростить конструкцию, но расплатой за это неизбежно является довольно низкая точность наведения у подобных систем которая вдобавок ухудшается с расстоянием. Чтобы обеспечить приемлемую вероятность поражения цели даже на дальности 40 км как приходилось использовать боевые части весом в 100-200 кг. На дальности 120 км американцы, как мы помним, и вовсе обратились к использованию атомного оружия а там где это было невозможно - применяли чудовищную боевую часть весом 500 кг. Разумеется ракеты которым приходилось "тащить" на себе подобных монстров и сами получались довольно большими - их было непросто поставить даже на корабли, не говоря уже о том чтобы размещать их на самолетах.
Уменьшение размеров ракет которого требовали от ученых военные, требовало уменьшения размеров их боевой части. Для сохранения приемлемой эффективности маленькой боевой части точность наведения ракеты следовало увеличить на порядок. Реализовать эту задачу удалось только разместив систему наведения ракеты на самой ракете ("система самонаведения"). При самонаведении ракета по мере полета сама как бы приближает радар все ближе и ближе к цели, а чем меньше эта дальность - тем выше точность определения положения цели. Если у старых зенитных ракет с радиоуправлением точность попадания измерялась десятками и даже сотнями метров, то у ракет с самонаведением величина промаха обычно не превышает десятка метров несмотря даже на использование значительно более примитивных радаров которые приходится вписывать в весьма компактные габариты ракеты.
С момента своего появления на свет и вплоть до сегодняшних дней большинство зенитных ракет с радарным самонаведением используют так называемые полуактивные системы самонаведения (SARH - semi-active radar homing) где на ракете находится только приемник радара, тогда как его передатчик (радар подсвета цели, target illumination radar) остается на запустившей ракету системе. Это значительно снижает сложность и стоимость ракеты при сохранении высокой точности наведения.
Концептуально система SARH устроена в чем-то даже проще чем системы с командным наведением ракет. Радар подсвета цели работает "прожектором" в радиодиапазоне, излучая сигнал в направлении цели, отраженный от цели сигнал образует своеобразный "радиомаяк", ну а приемнику на ракете остается только этот маяк отслеживать:
Как правило радар подсвета имеет очень узкую диаграмму направленности и непрерывно отслеживает движущуюся цель - это значительно увеличивает мощность сигнала в районе цели и соответственно ответное эхо который может "услышать" ракета. Кроме того излучаемый сигнал как правило не импульсный а непрерывный - это тоже увеличивает мощность сигнала в приемнике ракеты и упрощает схему наведения. На ракету в простейшем варианте ставят единственный приемник и антенну, "смотрящую" чуть-чуть вбок от оси ракеты. Раскручивая эту систему вдоль оси ракеты (иногда прямо вместе с самой ракетой) мы сразу получаем уже знакомую по второй части систему "конического сканирования". Остается только подключить выход ее управляющего сигнала к рулевым машинкам ракеты - и система самонаведения готова. Системы построенные на этом принципе продолжают применяться и сегодня.
Проблема таких простейших систем, однако, состоит в том что они реализуют "метод погони" который, как уже упоминалось, вынуждает ракету довольно сильно маневрировать, особенно в последние моменты на встречных курсах когда цель двигается относительно ракеты с высокой угловой скоростью. Из-за этого промах у таких систем во многих сценариях получается довольно большой, что во многом сводит на нет достоинства самонаведения. Были разумеется выработаны и противоракетные маневры эксплуатирующие эту уязвимость путем максимального увеличения угловой скорости самолета относительно ракеты. Однако американцы в начале 1950х придумали более совершенную систему которая называется "пропорциональным самонаведением" (proportional guidance) которая полностью исправила этот недостаток:
в процессе полета не меняетсяФундаментально оно основано на идее которая хорошо знакома морякам: если два корабля движутся курсом который приведет их к столкновению, то второй корабль с первого кажется неподвижным, просто постоянно увеличивающимся в размерах. Если корабль визуально смещается влево или вправо - то столкновения не будет. Математически это иллюстрирует приведенная выше картинка - все три треугольника в ней подобны и потому отмеченные углы (направление на цель) одинаковы. В системах с пропорциональным наведением головка самонаведения (антенна или радар целиком) может вращаться относительно ракеты и управляется таким образом чтобы всегда оставаться направленной на цель в то время пока сама ракета может при этом лететь в другую сторону. Система управления ракетой отслеживает угол между осью ракеты и осью головки самонаведения, а точнее скорость изменения этого угла (угловую скорость). Если эта скорость равна нулю, то ракета движется в нужную точку. В противном случае ракете следует начать вращение в противоположную сторону чтобы эту угловую скорость скомпенсировать. Для этого управляющие поверхности ракеты отклоняются на угол пропорциональный измеренной угловой скорости - отсюда и название метода. Впервые метод применили на ракетах AIM-9 Sidewinder с инфракрасной головкой самонаведения и он оказался настолько успешным, что несмотря на сравнительно высокую стоимость он фактически вытеснил все остальные методы наведения повсюду кроме как у самых дешевых ракет.
Системы с полуактивным наведением и пропорциональной навигацией сегодня остаются наиболее популярным способом реализации ЗРК. Однако практика их боевого применения показала что их основным недостатком является необходимость непрерывно сопровождать цель лучом радиолокатора вплоть до момента попадания ракеты. Это создает массу вариантов для противодействия таким системам.
Во-первых самолет по которому ведется огонь получает заблаговременное предупреждение от СПО о том что по нему запущена ракета и может попытаться сманеврировать и выйти из зоны обстрела.
Во-вторых радар подсвета выдает свою позицию и по нему можно тут же запустить противорадарную ракету поставив его операторов перед выбором между "пытаться попасть в самолет но рисковать потерять радар" или "выключить радар и попытаться уйти от ракеты но точно не попасть по самолету". Особенно остро обе эти проблемы стоят для "дальнобойных" систем где время полета ракеты может быть весьма велико.
Третьим крупным недостатком полуактивного наведения является необходимость наличия на радаре специального "режима подсвета цели" или даже целого отдельного радара. В обоих случаях радар во время пуска ракеты может сопровождать лишь единственную цель (правда одновременно наводя на нее любое количество ракет). Хотите стрелять по трем-четырем разным целям одновременно - ставьте три-четыре отдельных радара подсвета.
Одним из возможных вариантов частичного решения этой проблемы является комбинирование систем самонаведения и командного управления ракеты. Запущенная ракета вначале летит по старой доброй технологии командного управления и лишь на подходе к цели включает свою систему самонаведения. В таком варианте СПО может и не суметь вовремя распознать запущенную ракету а радар подсвета - успеть подсветить несколько разных целей по очереди и при этом не светиться слишком долго подставляясь под противорадарную ракету. Однако такие системы значительно сложнее в реализации и не всегда решают все проблемы. Поэтому по мере миниатюризации радаров на некоторые ракеты стали ставить так называемые активные головки самонаведения которые включают в себя не только приемник радара, но и его передатчик. Ракета при этом может быть полностью автономной - "запустил и забыл". Это очень сильно повышает выживаемость платформ запускающих подобные ракеты: им по сути достаточно включиться лишь на несколько секунд для пуска, после чего можно сразу же уходить из под ответного удара. Правда и дальность действия маленького радара на ракете на практике довольно невелика: всегда есть риск что он просто не сможет "захватить" цель. Поэтому обычно такие системы дополняют инерциальным наведением (ракета вначале вслепую летит "куда-то в тот район" а уже потом включает свой радар) или командным (ракете периодически передаются поправки относительно того куда ей следует лететь).
Поначалу область применения ракет с активным самонаведением ограничивалась дальнобойными ракетами в авиации где преимущества подобного метода максимальны, но сегодня они постепенно получают все более широкое распространение. Пусковые установки таких ракет максимально просты и дешевы (хотя сами ракеты - нет) и их удобно прятать для работы "из засады"; при этом практически нет ограничений на число одновременно обстреливаемых целей и СПО может подать предупреждение лишь за несколько секунд до попадания ракеты.
ЗРК с радиокомандным наведением ракет, впрочем тоже не исчезли полностью. Они были вытеснены в область систем малого и сверхмалого радиуса действия где падение точности радара с расстоянием еще не слишком ощутимо. Классическим представителем этого семейства можно считать ЗРК "Оса" с дальностью стрельбы до 10 км:
Преимуществом такого рода систем является возможность телевизионного управления ракетой в ситуации когда противнику удается подавить работу радара. А случается это не так уж редко - сложный радар в ракету поместить сложно а человека способного вручную заниматься фильтрацией помех и вовсе невозможно. Правда тупо "глушить" ракету с полуактивным или активным наведением бесполезно - она просто будет эффективно наводиться на источник радиосигнала. Приходится пользоваться "умными" системами постановки помех срывающими самонаведение "уводящими помехами" формирующими у ракеты ложное ощущение что цель находится в другом месте за счет эксплуатации уязвимости алгоритмов поиска направления на цель.
Поскольку это требует точного знания того как функционирует данная конкретная модель ракеты то современные станции РЭБ стоящие на самолетах - это по сути компьютеры с обширными базами данных, задачей которых является автоматическое определение по радиосигналу разновидности запущенной по самолету ракеты и выставление соответствующего вида помехи. Это разумеется делает крайне важным знание о том как работают те или иные системы противника что приводит нас к следующей теме -
Кодированные импульсы и сжатие сигналов
Долгое время радары использовали очень простые сигналы - одна частота, модуляция в лучшем случае прямоугольными импульсами с одинаковым (или почти одинаковым) периодом повторения. Но параллельно им почти с самого начала существовали системы опознавания "свой-чужой" задачей которых было формирование сложных кодированных сигналов, позволявшее отличить "свой" сигнал от "чужого" и относительно легко при необходимости сменить "код опознавания". Использование кодированных импульсов в радиолокации резко затрудняет для противника возможность их подделки. Однако сделать систему со сложным кодированием сигнала очень долго удавалось только в сравнительно низком диапазоне частот. Поэтому поначалу "секретным кодом" радара была просто используемая им частота. Многие радары проектировались таким образом чтобы их можно было достаточно быстро переключить между разными частотами и часть этих частот в мирное время специально не использовалась чтобы сохранить их в секрете. Например британский радар Type 85 мог переключаться между 60 разными частотами из которых в мирное время использовалась только треть. Это называется частотной адаптивностью ("frequency agility") радара
Но если мы можем быстро переключаться между разными частотами - то что нам мешает это делать буквально в каждом импульсе радара? Тогда даже активно слушающий эфир противник не сможет угадать на какой частоте будет следующий импульс и не сможет выставить соответствующую помеху. Это называется методом быстрой перестройки по частоте (frequency hopping). В обзорных радарах где передатчик и приемник находятся на одной и той же установке частота может меняться истинно случайным образом, но чаще используются системы где перестройка частоты происходит в соответствии с определенной последовательностью частот известной заранее что позволяет синхронизировать работу передатчика и приемника даже если они находятся в разных местах (например приемник летит на ракете). Обычно такая последовательность генерируется из секретного ключа с помощью генератора псевдослучайной последовательности. В таком случае метод называют ППРЧ - псевдослучайная перестройка рабочей частоты (frequency hopping spread spectrum, FHSS)․
Помимо радаров эта техника получила широкое распространение в системах связи поскольку оказалось что глушение (или прослушка) переговоров военных зачастую имеет не менее сильный эффект чем подавление работы радаров. Применение ППРЧ вынуждает противника глушить широкий частотный диапазон чтобы помешать узкополосной передаче, затрачивая на постановку помехи гораздо больше энергии чем радио тратит на передачу полезных данных. Кроме того это сильно затрудняет прослушивание и подделку сигнала. Любопытно что после начала применения военными этот же метод впоследствии получил применение и в гражданской радиосвязи где невольными "помехами" выступают бытовые источники шума и другие радиостанции работающие в том же частотном диапазоне.
Помимо перестройки по частоте другими способами помешать эффективной подделке сигналов радара является изменение длительности импульса (получив слишком длинное или слишком короткое эхо радар может определить цель как подделку) или апериодичность излучения (многим системам нужно знать момент излучения импульса радаром - иначе их ответный импульс будет приходить "слишком рано" или "слишком поздно"). Еще одним интересным методом является одновременно использование радаром сразу нескольких частот что расширяет число возможных вариантов для каждого отдельно взятого импульса. Но все эти методы применяются реже - быстрая (псевдо)случайная перестройка по частоте дает тот же или лучший эффект а методы способные бороться с ней могут бороться и с изменением длительности и апериодичностью импульсов.
Еще одним интересным способом защиты радара от "подделки" сигнала является проверка допплеровского сдвига. Как мы обсуждали в предыдущих статьях движущиеся к радару или от радара объекты вносят крошечные изменения в отраженную частоту. В прошлых статьях мы концентрировались на использовании этих изменений для того чтобы отсеивать эхо от неподвижных объектов, но цифровая обработка эха позволяет по периодическому изменению "яркости" сигнала на выходе фазового детектора радара определять не просто наличие, но и точное значение допплеровского сдвига. Поскольку допплеровский сдвиг показывает радиальную скорость движения цели, то определив его компьютер может предсказать следующее положение радарного сигнала по дальности и его фазу. И если отметка окажется на правильном расстоянии - то она подлинная, а если нет - то поддельная. Этот метод не только вынуждает систему постановки помех учитывать допплеровский сдвиг, но и требует знать при этом положение радара, так как радиальная скорость зависит от взаимного расположения радара и цели.
Допплеровский метод особенно хорошо работает для радаров непрерывного излучения. Как мы обсуждали в прошлых частях определить допплеровский сдвиг в отдельном импульсе сложно и требует использования нетривиальной радиотехники. Но в радарах непрерывного излучения принимаемый сигнал настолько монохроматичен что определение точного сдвига частоты не составляет большого труда даже в нехитрой боеголовке ракеты. Поэтому многие простые методы борьбы ракет полуактивного и активного наведения с "глушилками" (ECCM - electric counter-countermeasures, система противодействия радиоэлектронным помехам) включают в себя передачу на ракету расчетной радиальной скорости цели относительно ракеты и узкополосную фильтрацию настроенную на эту конкретную радиальную скорость. Чтобы эффективно подавить такую систему "глушилка" должна корректно определить радиальную скорость ракеты.
Еще одним очень интересным методом является фазовая модуляция сигнала радара (PSK - phase shift keying)․ В этом режиме радар излучает непрерывный сигнал на одной частоте, но как бы разбивает его на цепочку коротких следующих прямо друг за другом импульсов у которых может отличаться фаза:
Приемник у радара может декодировать фазовую последовательность в принятом "эхе" и сравнить ее с излученным сигналом. В старых "доцифровых" системах это часто реализовывали через цепочку из нескольких линий задержки которые формируют несколько копий сигнала задержанного на величину кратную длительности одного "импульса". Дальше фаза в таких копиях сдвигается на противоположную величину величине сдвига фазы в коде и все вместе суммируется:
Если сигнал принят верно, то фазы у всех задержанных копий окажутся после такого поворота повернуты "в одну сторону" и сигнал сложится и взаимно усилится. Если сигнал не соответствует образцу то какие-то из фаз будут повернуты "в противоположную сторону" и при сложении уменьшат величину сигнала. Математически такой фильтр реализует операцию свертки сигнала с кодовой последовательностью. При "хорошем" выборе кода полезный сигнал на выходе фильтра болтается даже в момент приема реального эха около нуля вплоть до момента идеального совпадения, порождающего короткий пик сигнала, за которым сигнал снова эффективно "взаимно уничтожается". Это называют сжатием принятого импульса - пиковый сигнал на выходе приемника получается намного короче чем длительность исходной последовательности в фазоманипулированном сигнале:
Интересно что подобные кодированные импульсы применяются не только в радарах, но и в телекоммуникационных системах для сигналов синхронизации. Существует целая теория посвященная эффективной генерации подобных сигналов с "хорошими" автокорреляционными функциями, но она заслуживает целой отдельной статьи ). Применительно к радарам достаточно знать то что а) такая схема обеспечивает определенную защиту от глушения и б) она "сжимает" принятый импульс по длительности, пропорционально увеличивая его амплитуду. Второе свойство сегодня используется гораздо больше чем первое потому что оно позволяет решить старую дилемму всех импульсных радаров: короткие импульсы обеспечивают высокую точность по дальности, но плохую помехозащищенность тогда как длинные хорошую помехозащищенность, но плохую точность. Кодирование длинного импульса в виде подобной серии коротеньких "импульсиков" обеспечивает силу принятого сигнала на уровне длинного импульса, а пространственную точность - на уровне короткого импульса.
Фазовое кодирование является не единственно возможной схемой "сжатия импульса". Годятся любые схемы которые разбивают сигнал на несколько кусочков которые могут детектироваться по отдельности. Например в радарах с перестройкой по частоте можно послать последовательность импульсов на разных частотах или использовать управляющую схему обеспечивающую линейно-частотную модуляцию (chirp). В приемнике в этом случае вместо фазовращателей ставится цепочка из фильтров для разных частот. Принцип работы тут схожий - на выходе каждого фильтра принятое эхо формирует короткий отклик с некоторой задержкой, суммирование этих сигналов ведется так чтобы эти задержки скомпенсировать. В итоге получаем схему где выход со всех фильтров при приеме "правильного" эха складывается и усиливает друг друга.
Развитие систем цифровой обработки сигналов резко упростило создание подобных систем и привело в XX веке к появлению экстремальных вариантов где сигнал формируется в виде последовательностей из многих сотен тысяч подобных "импульсиков", причем зачастую сочетая и частотную и фазовую манипуляцию. Сигнал становится настолько супер-длинным что уже практически не отличается от непрерывного, но при этом его декодирование формирует чрезвычайно узкий и очень мощный импульс. Помимо огромной помехозащищенности такие сигналы хороши тем что их можно сделать очень слабыми - вместо коротких импульсов киловаттной мощности радар может непрерывно светить всего парой ватт излучения и добиваться при этом таких же результатов. Это называется LPIR - low probability of intercept radar. Малая мощность излучения такого радара и сигнал который по виду напоминает обычный шум очень сильно затрудняет его обнаружение.
Помимо схем с разбиением отдельных "больших" импульсов на "мини-импульсы" современные радары так же как правило реализуют схемы "накопления" сигнала. В старых радарах как я уже писал подобное "накопление" зачастую реализовывалось за счет инерционности люминофора экранов и человеческого зрения - видимый на экране сигнал был ярче там где он непрерывно повторялся. В современных радарах схожего результата достигают цифровой обработкой сигнала. Усреднение последовательности из 
импульсов позволяет усилить сигнал в 
раз относительно случайных помех и при достаточно высокой частоте повторения импульсов или достаточно длительном наблюдении цели выделить даже очень слабый сигнал. Правда в отличие от схем "сжатия импульса" при "накоплении" сигнала в таких схемах приходится учитывать то что объект может перемещаться в пространстве.
Самые современные схемы с длинными цифровыми последовательностями (тот же LPIR) обычно проектируются таким образом что излучаемый ими сигнал был по сути вообще непрерывным, но его можно было по сути интерпретировать как непрерывную последовательность импульсов. Для этого сигнал проектируется таким образом чтобы в очень длинной кодовой последовательности можно было эффективно и однозначно находить любую желаемую "подстроку". С помощью цифровой обработки мы можем как бы просто "вырезать" именно этот кусочек сигнала и эффективно отделить его фильтром от всей остальной последовательности. При этом мы можем "нарезать" сигнал на сколь угодно большое число кусочков, в том числе и перекрывающихся друг с другом. Подобная схема нам лучше всего знакома по сигналам GPS которые по сути реализуют "радиолокацию наоборот" где мы по задержке в принятом сигнале определяем расстояние до движущегося спутника, а по расстояниям до нескольких спутников с известными координатами - определяем собственное положение.
Излучаемый спутниками GPS сигнал составляет всего 50 Вт которые размазываются по половине площади всего земного шара, так что его мощность у поверхности Земли составляет порядка 
ватт на квадратный метр или, в более привычных для радиолюбителях единицах
dBW. Для сравнения сигнал от обычных вышек сотовой связи составляет в идеальных условиях -45 dBW (то есть в 
раз больше) а при его падении до уровня около -110 dBW (в 300 раз сильнее сигнала GPS) сигнал сотовой связи телефоном уже не принимается. Фактически сигнал GPS настолько слаб, что он в 100 раз меньше уровня природных шумов приходящих из космоса. Крошечная антенна приемника в Вашем телефоне разумеется тоже не способствует качеству приема сигнала - его мощность на входе приемника измеряется в долях пиковатта (порядка 
Вт). Приплюсуйте к этому космическую скорость движущихся в пространстве спутников измеряемую в километрах в секунду. Тем не менее как мы знаем приемники GPS отлично работают - и это возможно наиболее яркая иллюстрация невероятных возможностей современной радиолокации. Всего 1 секунда измерения сигнала GPS дает битовую последовательность длиной в 10 миллионов отсчетов которой хватает для того чтобы усилить сигнал примерно в 3000 раз по сравнению с шумом и этого оказывается достаточным для того чтобы надежно его детектировать с погрешностью во времени которая существенно меньше длины 1 импульса последовательности. Возможности современных военных радаров засекречены, но известно к примеру что аналогичные цифровые схемы использовались для таких потрясающих проектов как радиолокация рельефа Меркурия (на дальности более 100 млн км!) с помощью обсерватории Аресибо.
Вторичная радиолокация
Современный мир немыслим без авиационного транспорта. Это и пассажирские перевозки, и грузы - сегодня в каждый отдельно взятый момент в мире в воздухе находится в среднем 12-14 тысяч самолетов и порядка 1 миллиона человек. На заре гражданской авиации пока число полетов в тех же США еще исчислялось несколькими сотнями в день, пилоты летали независимо друг от друга и полагались на визуальное опознавание самолетов чтобы ни в кого не врезаться. Но в первое же десятилетие после Второй Мировой войны гражданский траффик вырос в 25 раз, превысив к 1955 году траффик на железных дорогах Америки. В крупных авиационных узлах типа Нью-Йорка перестало быть редкостью прибытие самолетов которое разделяло во времени всего несколько минут. В то же время скорости самолетов значительно выросли а развитие навигационных средств сделало возможным безопасное совершение полетов не только в хорошую погоду.
Закономерным следствием роста числа самолетов, их скоростей и участившихся полетов в плотной облачности стал и рост числа столкновений самолетов в воздухе. Причем практика вскоре показала что между собой сталкиваются не только гражданские самолеты, но и военные. Было очевидно что в дальнейшем ситуация будет становиться только хуже․ Ответом на это стало создание стандартизованных и объединенных национальных систем управления воздушным движением которые пришли на смену существовавшим ранее гражданским диспетчерским контролировавшим отдельные наиболее загруженные точки. Новые системы взяли на себя управление как гражданским, так и военным воздушным трафиком. А благодаря радарам диспетчеры перестали полагаться в своих решениях на сообщения от самих пилотов которых ранее приходилось периодически опрашивать по радио чтобы уточнить где они сейчас находятся. С 1958-1960 годов в США и Европе пошло массовое внедрение правил полетов совершаемых под контролем диспетчеров а воздушное пространство было поделено на "зоны" и так называемые "классы" в зависимости от того насколько строго в нем контролировались полеты и кто именно должен был осуществлять контроль.
Первые эксперименты с использованием радаров для управления воздушным движением начали проводиться еще в 1948 году, но на начальных порах ограничивались радарами небольшого радиуса действия, с помощью которых контролировалось зона прибытия и отправления в непосредственной близости от аэропорта. В 1952 появился и первый "гражданский" радар предназначенный для этих целей - ASR-1. Интересно что на первых порах его использование встретило ожесточенное сопротивление пилотов которым не нравилось что диспетчеры "следят" за тем чтобы они правильно летали :). По мере расширения контролируемого воздушного пространства для отслеживания гражданских полетов стали применяться и более дальнобойные военные радары раннего обнаружения.
Однако использование "военных" радаров было во многих отношениях неудобным. Во-первых это требовало довольно плотной координации с военными и было потенциальным источником утечки "военной" информации такой как (к примеру) время остановки радара на техническое обслуживание. Во-вторых военные радары было проблематично поставлять в третьи страны а воздушное движение быстро становилось международным. Поэтому с 1954 года International Civil Aviation Organization (ICAO) занялась стандартизацией более практичной системы "вторичной радиолокации" (secondary surveilliance radio, SSR) для отслеживания гражданских полетов. В отличие от обычного, "первичного" радара где от самолета пассивно отражается эхо радиоимпульса, в системах "вторичной" радиолокации отклик на принятый сигнал радара посылает активная система - транспондер. Как я уже писал в более ранних статьях, за основу международного стандарта взяли уже существовавшую устаревшую военную систему опознавания Mark X, а точнее один из его подрежимов - Mark 3. Это было удобно тем что обеспечивало совместимость с уже существовавшими военными системами и обеспечивало корректное распознавание гражданских самолетов военными системами (и наоборот). В ответ на принятую последовательность из двух или 3 импульсов (P1, P2 и P3) со строго определенными промежутками между ними ответчик гражданского самолета должен был послать серию до 15 импульсов. В нее входили стартовый и стоповый биты (F1 и F2) на определенных позициях, "мертвый" бит где не должно было быть никакого сигнала (для того чтобы эффективно отсекать неверные передачи данных) и 12 бит собственно "полезной нагрузки".
В ранних системах был определен только т.н. "режим А" (mode A) в котором самолет отправлял в 12 битах свой идентификационный код (SQAWK). В силу использования активного транспондера мощность сигнала в такой системе падает с расстоянием лишь пропорционально 
а не 
как в обычных радарах, поэтому стало возможным довольно легко создавать дешевые и компактные радары с дальностью действия в 400 км. Вдобавок эти радары не получали паразитных отражений сигнала от земли а следовательно не требовали использования сложных и дорогостоящих систем MTI. Логика их работы поначалу полностью повторяла логику военных радаров - вращающаяся антенна формировала узкий луч, в котором непрерывно отправлялась последовательность импульсов - "запросов", распознав которые транспондер самолета должен был со строго определенной задержкой отправить свой код опознавания. По задержке принятого ответа приемник определял расстояние до самолета, по углу азимута антенны - примерное направление на него. Наводить на гражданских ракеты не требовалось, поэтому погрешность определения положения в километр-другой гражданских диспетчеров поначалу вполне устраивала. С 1960 года установка транспондера стала обязательной для всех самолетов военной и гражданской авиации в США.
Однако по мере широкой практической эксплуатации систем вторичной радиолокации стали выявляться проблемы которых обычные радары как правило не имели. Например выяснилось что на достаточно близком расстоянии от радара его сигнал (рассчитанный на срабатывание и на дальности 400 км) оказывается достаточно сильным для того чтобы приемник транспондера распознавал его и когда антенна радара смотрит "в другую сторону" от самолета. В свою очередь ответный сигнал тоже был зачастую достаточно силен чтобы его мог принять и радар. В худшем случае вторичный радар начинал принимать сигнал от самолета независимо от того в какую сторону смотрела антенна, формируя вместо отдельной точки на экране целое кольцо находящееся на определенном радиусе от радара. Если проблема была не столь критичной, то вместо точек отметки на экране радара превращались в дуги или же на нем возникали ложные цели на направлениях побочных лепестков направленности антенны. Одним из очевидных способов борьбы с этой бедой стало повышение направленности антенн, но позднее был найден более простой и дешевый выход. В конструкцию радара была введена ненаправленная антенна которая при излучении радаром основных импульсов запроса P1 и P3 излучала во все стороны дополнительный импульс P2 (см. на рисунок выше). Сила принятого транспондером сигнала P2 позволяет оценить его приемнику расстояние до радара и разделить между собой ситуацию когда принятый сигнал слаб потому что расстояние до радара велико и ситуацию когда сигнал слаб потому что антенна радара смотрит в другую сторону. Для этого приемник просто сравнивает между собой уровни сигнала P1 и P2 и передает ответ только если P1 значительно сильнее P2. Это позволяет дешево и эффективно подавить передачу сигналов опознания за пределами главного лепестка направленности антенны.
Второй проблемой связанной с высокой мощностью сигналов стали... ФРУКТы, а точнее помехи FRUIT - False Replies Unsynchronised to Interrogator Transmission. Из-за высокой дальности действия радаров самолет нередко оказывался в радиусе действия двух или больше радаров одновременно. Но поскольку ответы транспондера никак не зависят от того какой из радаров отправил запрос, то радар может регистрировать ответы на запросы отправленные не им самим а другим радаром. Поскольку последовательность запросов у разных радаров как правило отличаются то принятые сигналы обычно порождают не одну неправильную отметку а целую "движущуюся" серию. Это и есть "фрукт". Например отличия в частоте опроса у радаров приводят к тому что неправильное эхо приходит с постепенно уменьшающейся или увеличивающейся задержкой порождая цепочку из отметок на разных дальностях. В сочетании с вращением антенны это зачастую формирует характерную спираль которую можно увидеть на картинке выше. Особенно неприятный эффект "фрукты" создавали до того как удалось создать надежные системы подавления в побочных лепестках направленности антенны которые провоцировали у самолетов передачу большого количества ненужных откликов. Побороть их удалось созданием систем "MTI наоборот". В военных радарах отфильтровывались неподвижные отметки (отражения от наземных целей), а в гражданских напротив стали фильтровать слишком уж подвижные - схема запоминания отметок стала пропускать только сигналы которые были приняты хотя бы дважды с примерно одной и той же позиции.
Наконец третьей проблемой стало то что гражданские радары в отличие от военных поначалу умели работать только в 2D, определяя направление по азимуту, но не по высоте. По мере роста числа самолетов стало важным понимать разойдутся ли они безопасно при пересечении их траекторий. Поэтому к запросам Mode A на который следовало отвечать кодом опознавания был добавлен немного отличающийся запрос Mode C в ответ на который в 12-битном сообщении следовало передать высоту на которой движется самолет. Широкая адаптация таких систем произошла в 70х годах и совпала в США с переходом к компьютерным системам которые автоматически опрашивали самолеты, запоминали и отслеживали их траектории, могли загружать расписания в цифровом виде с дискет и отображать их. Благодаря "коду C" такие системы смогли автоматически предупреждать диспетчера о возможных столкновениях.
Еще одной интересной "фишкой" внедренной на основе практического опыта стало добавление в ответ транспондера дополнительного бита SPI (selective pulse identification) который включался на 15-20 секунд при нажатии в самолете пилотом на специальную кнопку. Это позволило диспетчерам при необходимости быстро находить интересующий их самолет передачей по радио просьбы интересующему их пилоту ("дельта 123 нажмите кнопку опознавания") без нужды искать нужную отметку среди десятков самолетов вручную. Все принятые радаром отметки где был выставлен соответствующий бит тем или иным образом подсвечивались на экране.
По мере дальнейшего роста числа самолетов в 80х годах системы вторичной радиолокации были еще раз модернизированы добавлением так называемого "режима S" в транспондерах (Mode S, "selective")․ Режим S расширил формат ответа с 12 бит до 56 или 112 бит сделав возможным а) передачу высоты с более высокой точностью, б) увеличение число уникальных кодов опознавания с 12 до 24 бит и в) одновременное получение высоты и кода самолета без необходимости делать два раздельных запроса а потом как-то совмещать их воедино. Но что еще важнее - он добавил аналогичное поле из 56-112 бит данных к запросу. Помимо того что это дало возможность спрашивать у самолета целую кучу разных возможных данных о его состоянии (а не одну лишь его высоту), это сделало возможным указывать в запросе конкретный самолет к которому обращен запрос (отсюда и название нового режима - "избирательный запрос"). Хотя радар режима S может по прежнему периодически опрашивать сразу все самолеты чтобы понять кто вообще находится в пространстве, гораздо чаще он ограничивается обращением к конкретному самолету для обновления его данных. В числе прочих достоинств это решает одну проблему более ранних режимов A и C - возможность наложения ответов от разных самолетов:
Радар режима S может просто опросить самолеты по очереди без наложения ответных сигналов и это резко упрощает такие вещи как, например, одновременную посадку двух самолетов на параллельные взлетно-посадочные полосы. В целом же резкое сокращение числа "широковещательных" запросов резко же сокращает объем взаимных помех между работающими одновременно радарами. В частности это позволило реализовать на самолетах "свои собственные радары" способные видеть другие самолеты: если раньше это создавало бы слишком много помех, то в режиме S это больше не является критическим недостатком. На основе этого были созданы первые системы TCAS (traffic collision avoidance system) позволяющие пилоту видеть другие самолеты и получать предупреждение об опасном сближении с ними
По мере распространения на самолетах систем GPS позволяющих определять их положение в пространстве без использования радара, в 21 веке в Mode S транспондеры была так же добавлена система ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) которая периодически без какого-либо запроса от радара посылает в пространство сообщение о координатах, скорости и направлении полета самолета. Преимуществом такой схемы является то что она работает буквально повсюду - ей больше просто не требуется включенный радар для того чтобы видеть воздушные объекты вокруг. С 2020 года эта система стала обязательным стандартом для США и видимо уже скоро станет стандартом и для всего мира. А благодаря тому что приемники ADS-B доступны сегодня любому радиолюбителю мы имеем сегодня такие сайты как flightradar24.com собирающие эти данные с тысяч приемников установленных по всему миру.
Большинство самолетов сегодня продолжает сохранять совместимость со старыми системами типа A, C и S, но старые режимы по видимому будут постепенно вытесняться новыми стандартами.
Фазированные антенные решетки (ФАР)
Еще одной особенностью большинства современных радаров является использование фазированных антенных решеток (ФАР, phased array). Фундаментально идея ФАР сравнительно проста: вместо одной направленной антенны мы берем набор (решетку) из нескольких сравнительно ненаправленных антенн, после чего добавляем к каждой из антенн фазовую задержку таким образом чтобы интерференция их сигналов сформировала волну направленную преимущественно в желаемую нами сторону.
Прием сигналов в силу обратимости распространения радиоволн во времени осуществляется точно так же - суммирование сигналов с антенн с определенной задержкой обеспечивает направленность приема антенны. Принципиально ФАР может формировать сигнал направленный в любую сторону в пространстве от антенной решетки, но для плоского массива эффективность формирования сигнала резко падает при углах излучения близких к 90 градусах от нормали к плоскости и эффективным диапазоном излучения и приема обычно является ±60°.
Исторически первые ФАР появились из-за нежелания вращать огромные (и потому медленные или вообще стационарные) антенны. Во второй статье мы упоминали что именно по такому принципу работали приемники одного из первых радаров в мире - английской системы Chain Home (AMES-1)․ Но эффективность реализации фазовых задержек с помощью гониометра в то время была довольно плохой. Как только стало возможным уменьшить размеры антенн до хотя бы нескольких десятков метров от подобной системы в основном отказались в пользу механических методов сканирования (вращения антенны). При этом скорость сканирования у этих методов была зачастую отнюдь не маленькой. В прошлой статье мы упоминали о том что "мельница" советской системы С-25 сканировала сектор перед собой 5 раз в секунду, а усовершенствованная версия с менее крупным вращающимся элементом в С-75 успевала сканировать пространство (правда в значительно меньшем секторе) и вовсе 10 раз в секунду. Системы с параболическими тарелками ставившимися на самолетах работали немногим хуже. Посмотрите на это небольшое видео времен конца Второй Мировой:
Но нет предела совершенству! Как мы уже пару раз проговаривали, принципиальной проблемой подавляющего большинства ранних зенитных ракетных систем была их одноканальность. В каждый момент времени они вести огонь только по одной цели. Исключением была только легендарная советская С-25, но и она могла обстреливать только сектор шириною 120 градусов. Для того чтобы обеспечить круговую оборону в ней потребовалось бы установить целых 8 здоровенных вращающихся "мельниц". Американцам хотелось иметь что-то подобное, но в значительно более компактном варианте который влезал бы на их корабли.
И тут нам стоит в очередной раз отдать должное СССР. В целом отставая в авиации они проанализировали американский опыт и создали оружие эффективное против американских противовоздушных систем: крылатые ракеты. Сравнительно небольшие и быстрые но главное - многочисленные цели во многом имитировали японский опыт самолетов-камикадзе. Собственно поначалу они и напоминали самые настоящие самолеты (МиГ-15) только поменьше размером и без кабины пилота.
Одновременный запуск нескольких крылатых ракет перегружал возможности американского ПВО количеством целей а потеря нескольких ракет в залпе не была столь же болезненной как потеря несущих их бомбардировщиков. Американцы очень долгое время недооценивали угрозу исходящую от данного вида оружия полагая что они просто перехватят бомбардировщики до того как они успеют запустить свои (на первых порах сравнительно малого радиуса действия) ракеты. В отношении стратегической авиации это привело к строительству все более северных станций раннего предупреждения, задачей которых было своевременное обнаружение советских бомбардировщиков
Но в отношении кораблей возможность перехватить атакующие их цели за тысячи километров изначально была довольно нереалистичной что в конечном итоге и продемонстрировало на практике чрезвычайно успешное применение советских противокорабельных ракет в конце 1960х. Схожей проблемой но уже в отношении обороны американских наземных объектов стали советские баллистические ракеты малого радиуса действия.
Хотя американские ЗРК в теории могли перехватывать и баллистические цели, залп из двух или более ракет они остановить не могли - а СССР делал ставку именно на массовое применение подобных систем. Уязвимые военные объекты приходилось отодвигать подальше от линии возможного фронта и это было очень неудобно. Поэтому перед американцами остро встал вопрос создания ЗРК способных одновременно обстреливать сразу несколько целей, часть из которых могла быть баллистическими. По мере того как американцы перенимали "советский опыт" схожие проблемы возникли и у СССР.
Обстреливать одновременно несколько целей с помощью одной РЛС предлагалось стремительно переключая луч радара между разными целями. Радар долю секунды светил на одну цель, уточнял ее положение, затем переключался на вторую, уточнял ее положение, затем переключался на третью и т.д. В промежутках между "подсветами" положение и скорость цели запоминалось и интерполировалось компьютером. Для достаточно крупной антенны реализовать это чисто механическим поворотом антенны было невозможно. ФАР решили эту проблему электронным управлением фазами излучаемого сигнала на огромном количестве антенн образующих излучающий массив (ESA - Electronically Scanned Array)․
Существуют три основных схемы создания ФАР отличающиеся тем как именно в решетке осуществляется управление фазой.
Во-первых можно поставить на каждый антенный элемент свой собственный отдельно управляемый приемник и передатчик. Это так называемая активная фазированная антенная решетка (АФАР, active electronically scanned array, AESA). В типовой антенной решетке речь идет о сотнях, тысячах и даже десятках тысяч отдельных элементах, поэтому такая схема традиционно является чрезвычайно дорогостоящей. Кроме того эти приемопередатчики требуется тщательно синхронизировать между собой что тоже отнюдь не просто.
Во-вторых можно использовать в каждой антенне специальный элемент который называется фазовращателем. Как правило фазовращатель реализуется с помощью электронной схемы которая может переключать радиочастотный сигнал между несколькими проводниками имеющими разную длину
В такой схеме используется лишь один передатчик и приемник сигнала который подключается ко всем антеннам решетки, но в сигнал каждой из антенн при помощи фазовращателей вводится желаемая задержка. Это пассивная фазированная антенная решетка (ПФАР, passive electronically scanned array, PESA) и она гораздо дешевле в реализации.
Наконец существует еще третий, самый дешевый вариант реализации электронной ФАР: так называемая решетка с частотным сканированием (frequency-scanning array, FSA). При этом в антенны вводят линии задержки фиксированной длины, зачастую просто последовательно соединяя антенные элементы кусками провода нужной длины. Дело в том что при одинаковой длине линии задержки смещение фазы сигнала зависит от длины волны. Если на отрезок линии укладывается целое число длин волн - то сдвига фазы нет. Если полуцелое - то фаза поворачивается на 180 градусов и т.д. Правильно подобрав длину линий задержки можно добиться того чтобы направление излучаемого антенной решеткой сигнала определялось частотой подаваемого на него радиоизлучения. Этот тип радара требует передатчика способного перестраиваться в достаточно широком частотном диапазоне, но как правило дешевле всего в реализации.
Стоит отметить что диаграмма направленности любой ПФАР тоже зависит от используемой длины волны. Это фундаментальный недостаток ПФАР и основное ее отличие от АФАР которая таких ограничений не имеет. Многие ПФАР "затачиваются" на строго определенную длину волны с которой они могут работать. Другие могут переключаться между разными длинами волн, но при этом не могут работать с разными частотами одновременно. Поэтому широкополосные ФАР такие как например терминалы спутникового интернета Starlink могут быть только активными. Впрочем частотная зависимость ПФАР иногда наоборот используется как достоинство в комбинированных схемах где формирование направления луча осуществляется сочетанием использования фазовращателей для "грубой" настройки антенны и изменения частоты для более тонкой "донастройки".
Я уже писал о том что отдельные элементы ФАР использовались уже во времена Корейской войны во многих советских радарах в виде "двухэтажных" антенн которые можно было ориентировать "по углу высоты" варьируя задержку сигнала между нижней и верхней сборкой. Американцы были первыми кто пошел на шаг дальше и создал системы сочетавшие в себе механическое сканирование по азимуту с электронным сканированием по высоте.
В отличие от советских РЛС которые просто "настраивались" на определенную высоту вручную, американские сканировали пространство быстро перемещающимся вверх и вниз лучом что позволяло определять за один оборот радара не только все воздушные цели вокруг корабля, но и высоту каждой из них ("3D радар"). Несмотря на то что по современным представлениям это примитивная система, в момент ее появления она считалась очень сложной и как следствие страдала от низкой надежности (среднее время между отказами поначалу составляло всего 14 часов!). Последующие 15 лет американцы провели совершенствуя этот подход и повышая его надежность
Первые эксперименты с "современными" ФАР с большим количеством антенных элементов способных изменять направление луча не только по вертикали но и по горизонтали начались тоже в 1960х, но они очень долго не выходили за рамки экспериментальных моделей. Помимо очень высокой стоимости подобных систем из-за их высокой сложности они так же страдали и от еще более низкой надежности. Поэтому на первых порах они нашли реальное применение только в радарах систем противоракетной обороны. Из-за необходимости отслеживать крошечные боевые части ракет на расстояниях в тысячу километров такие радары неизбежно имеют огромные размеры и как следствие принципиально неподвижны. Возможность электронного управления лучом в них - вынужденная необходимость, ну а огромные размеры позволяют впихнуть в антенну даже довольно громоздкое оборудование и с (относительным) удобством его обслуживать.
Первой ФАР нашедшей свое воплощение не в "стационарном" варианте стала американская система AN/SPY-1 создававшаяся в рамках чрезвычайно амбициозного проекта компьютерной системы управления оружием AEGIS. "Иджис" сочетал в себе сразу четыре ПФАР SPY-1 смотревших в разные стороны света и обеспечивавшие круговой обзор, непрерывно отслеживал с их помощью все цели вокруг корабля и автоматически распределял эти цели между доступными средствами поражения - от пушек до зенитных ракет. Причем для совместимости со "старыми" зенитными ракетами с полуактивными головками наведения в AEGIS реализовали уже упоминавшуюся в этой статье схему где компьютер управлял запущенными ракетами в радиокомандном режиме вплоть до последних секунд, автоматически включая радар подсвета только непосредственно перед поражением цели для точного "донаведения" ракеты. Сразу же после взрыва ракеты "подсвет" мог переключаться на следующую цель, а если по каким-то причинам это не получалось - то ракеты могли быть подорваны и в радиокомандном режиме. В теории получившийся монстр мог отслеживать до 100 целей и одновременно управлять 18 запущенными зенитными ракетами, распределяя цели между радарами подсвета которых на "Тикондероги" поставили по 4 штуки, а на менее крупные "Арли Берки" - по три. Добавьте к этому всему еще и возможность объединить несколько таких кораблей в единую компьютерную сеть автоматически распределяющую цели между кораблями! Первый прототип системы запустили на опытном корабле в 1973, но практическая доводка столь амбициозной системы закономерно затянулась и в строй первый боевой корабль с AEGIS вступил только в 1983.
Так что в итоге советские инженеры опередили своих американских коллег с практическим внедрением ПФАР в реальные ЗРК. Иронично то что в СССР был тоже запущен очень амбициозный проект С-300 в рамках которого предполагалось создать единую супер-систему которая могла бы заменить большинство остальных видов ЗРК как для наземных войск так и для кораблей. Но точно так же как и у американцев с реализацией проекта у Союза возникли огромные проблемы которые в итоге привели к тому что вместо "единой системы С-300" было создано три совершенно разных ЗРК с минимальной степенью унификации которые из-за оставшегося похожим названия до сих пор все путают между собой. Первым "до ума" удалось довести создававшийся для нужд объектовой ПВО страны комплекс С-300П. И как и С-25 за несколько десятилетий до этого, на момент своего принятия на вооружение (1978) этот комплекс был бесспорно лучшей и самой передовой системой ПВО в мире.
Благодаря использованию ПФАР одна батарея С-300П могла одновременно обстреливать сразу 4 разных цели в 120-градусном секторе. Все машины комплекса были самоходными и легко перемещались с места на место уходя из под возможных ударов противника. Кроме того в отличие от более старых систем в С-300 использовались твердотопливные ракеты в ампулизированных контейнерах которые могли храниться десятилетиями почти не требуя обслуживания. Ну собственно что я рассказываю? Эта система остается современной и до сих пор. Правда в отличие от "Иджиса" ЗРК не имел отдельных антенн для "подсвета" цели непрерывным лучом и на первых порах был способен использовать лишь ракеты 5В55К с простым радиокомандным наведением. При этом закономерно вернулась уже упоминавшаяся проблема радиокомандного наведения - на дальностях больше 40 км точность поражения целей была довольно низкой что ограничивало "дальнобойность" и эффективность комплекса. Однако по мере доводки системы несколько лет спустя (1982) в СССР удалось создать ракету 5В55Р имевшую полуактивное наведение и способную работать с импульсными сигналами РЛС.
Для этого советские инженеры изобрели схему которую американцы называют TVM - "track via missile". В этой схеме ракета по прежнему сохраняет радиокомандное управление, но имеет собственную антенну и приемник сигнала радара который не обрабатывает сигнал самостоятельно а ретранслирует его обратно на наземную станцию управления. Таким образом наземная станция как бы получает мобильный радар движущийся вместе с ракетой. Схема с ретрансляцией удобна тем что ракете не требуется декодировать сигнал радара и иметь сложную систему управления а радару в ней не требуется подсвечивать цель непрерывно. При этом сохраняются почти все преимущества полуактивного наведения по точности и обеспечивается возможность вести одновременный огонь по большому числу целей. Аналогичную схему с ПФАР и TVM вскоре (1984) применили в своем комплексе PATRIOT и американцы:
Интересно что в "войсковом" ЗРК С-300В который довели "до ума" примерно в то же время заморачиваться с TVM не стали и просто воткнули радар непрерывного подсвета цели на пусковую установку для ракет. Однако как и на AEGIS включается он только для "донаведения" ракеты в последние секунды полета. В целом подход где вместо одного "супер-радара" способного обстреливать сразу несколько целей используется несколько пусковых установок со сравнительно простыми радарами советским военным по видимому нравился больше. Да, каждая из таких установок может стрелять лишь по одному самолету за раз, но этих установок в ЗРК "Бук" (к примеру) - 6 штук на одну батарею. При автоматизированном управлении, получая внешнее целеуказание от центральной станции управления, такая батарея тоже может вести огонь по 6 самолетам одновременно просто распределив цели между разными СОУ. При этом в отличие от С-300П где выведение из строя одного радара делает бесполезным все остальные машины батареи, "Бук" продолжает оставаться боеспособным пока у него не уничтожены все 6 пусковых установок. Однако С-300П в конечном счете зарекомендовал себя как более дешевый вариант и сегодня чаще используются системы созданные именно на его основе.
Дальнейшее развитие радаров с фазированной антенной решеткой стало возможным уже лишь в 21 веке. Его обеспечило развитие радиочастотной микроэлектроники сделавшее возможным массовое создание относительно дешевых и компактных приемопередатчиков и появление вычислительных устройств которые стали способны вести цифровую обработку сигнала поступающего с многих тысяч приемников одновременно. Основных преимуществ у современных АФАР два:
-
возможность одновременно работать на более чем одной частоте (например формируя одновременно несколько лучей направленных в разные стороны на разных частотах)
-
возможность переключать в момент приема лучи "цифровым" способом формируя не один луч на прием а сколь угодно большое число
Про первое достоинство АФАР мы уже говорили. В контексте радаров оно упрощает реализацию "малозаметных" схем LPIR формирующих сложный, "зашифрованный" сигнал который противнику будет сложно обнаружить. Второе же достоинство АФАР состоит в том что принятый цифровой сигнал в них можно "запоминать" и "воспроизводить" сколь угодно большое число раз. Поскольку формирование диаграммы направленности антенны осуществляется цифровой обработкой то один и тот же принятый сигнал можно обработать десятком различных способов которые будут давать различную диаграмму направленности. Фактически единственным ограничением здесь выступают лишь вычислительные возможности радара. Достаточно совершенная АФАР может непрерывно наблюдать все пространство в виде по сути 2D-картинки в секторе 120x120 градусов, без необходимости выбирать какое-то конкретное направление заранее. ПФАР может добиться схожего результата только "построчным сканированием" в котором скорость обновления "картинки" на порядок ниже. Это крупное преимущество поскольку любой импульсный радар работает "на передачу" лишь небольшую часть своего времени а вот "слушает" радиоэфир он почти постоянно. Это позволяет радару с АФАР отправить серию коротких импульсов сразу к нескольким целям а затем слушать ответный сигнал одновременно от всех них. ПФАР так делать не может - в каждый отдельный момент времени она может отслеживать лишь одну цель, хотя и умеет очень быстро переключаться между ними. Соответственно возможности по одновременному отслеживанию большого числа целей у АФАР получаются на порядок выше.
Единственные недостатки АФАР - это их высокая цена и достаточно "громоздкая" антенная сборка из-за того что ее приходится набирать из сравнительно больших приемопередающих модулей и заморачиваться с отводом от них паразитного тепла. Радары использующие ПФАР могут быть больше в целом, но у них большая часть электроники может упаковываться в неподвижную часть а излучающие элементы быть очень компактными:
Наконец в завершение разговора о ФАР стоит упомянуть такую интересную возможность ФАР с цифровым управлением как возможность отстройки от помех. До сих пор мы рассматривали ФАР как эквивалент обычной "параболической" антенны, только с очень-очень быстрым ее движением. Однако возможности ФАР значительно шире. Например она может формировать не только узкий, "карандашный" луч но и широкий "веер" которым гораздо удобнее сканировать обширные области пространства, причем хоть вертикальный хоть горизонтальный - на выбор. Может формировать более одного лепестка направленности ценой некоторой потери качества каждого из лепестков - это удобно, например, в описанной выше схеме где радар посылает импульсы сразу к нескольким целям. Но пожалуй интереснее всего то что ФАР может искусственно формировать провалы (нули) в диаграмме направленности - техника которая называется null steering. Подобные нули могут быть очень "глубокими" и поместив их в направлении на источник помех можно чрезвычайно эффективно эту помеху из принятого сигнала убрать. Формирование диаграммы направленности с нулями возможно и в ПФАР и АФАР, но в АФАР эти возможности шире и реализуются проще. В современных реалиях войны эта технология используется не только для радаров но и для борьбы с "глушилками" любых каналов связи и "спуфингом" сигналов GPS․
Радары с синтезированной апертурой
Еще одним интересным направлением развития радаров с фазированной решеткой стало появление систем SAR - synthetic aperture radar, радаров с синтезированной апертурой. Эти системы построены вокруг нехитрого наблюдения что радиоэхо отраженное от стационарных целей не меняется в пространстве со временем. Отправляя в пространство зондирующие импульсы мы раз за разом будет принимать один и тот же "ответ". Но в силу этого мы можем измерить этот ответ в разных точках пространства по очереди. Вначале в одной точке. Потом во второй. Потом в третьей. Поскольку сигнал не меняется во времени то то что мы это будем делать не одновременно ни на что не влияет. Перемещаясь в пространстве и делая замеры радиосигнала в разных точках мы можем получить такой же результат как если бы мы использовали фазированную антенную решетку с приемниками находящимися в этих точках.
Почему это важно? В предыдущих статьях мы упоминали о том что разрешение радара "по углу" гораздо меньше чем разрешение "по дальности", причем погрешность "по дальности" мало зависит от размеров радара а вот "по углу" сильно ухудшается с уменьшением размеров антенны радара. У цифровых радаров со "сжатием" импульсов о которых мы говорили в этой статье разрешение "по дальности" может доходить до пары десятков сантиметров, но при этом на сколь-либо разумном расстоянии до наблюдаемого объекта разрешение "по ширине" будет измеряться многими десятками метров. Использование синтетической апертуры позволяет создать "виртуальную" антенну с размерами в многие десятки и сотни метров, а чем больше размеры антенны - тем лучше её направленность. При движении радара по прямой линии это позволяет формировать радарные изображения объектов находящихся сбоку от направления полета с разрешением в несколько десятков сантиметров как по дальности, так и "по ширине". Правда это не устраняет большую погрешность радара "по высоте", но при наблюдении наземных объектов это зачастую не имеет большого значения. Одна ось в формируемом изображении соответствует "дальности", вторая "расстоянию по траектории полета" и получаемая картинка соответствует радарной яркости точек земной поверхности при "виде сверху". Высокие объекты в этой схеме просто слегка вытягиваются в сторону к радару (так как их вершины находятся ближе к самолету чем основания).
В отличие от традиционных оптических систем, радары SAR позволяют наблюдать поверхность сквозь облака и туман. Кроме того они позволяют формировать изображение высокого разрешения с практически любого расстояния в силу того что размеры синтетической апертуры можно увеличивать в огромных пределах, все упирается только в возрастающее время необходимое на сбор данных и вычислительные ресурсы на их последующую обработку. Это сделало возможным создание очень компактных и при этом сравнительно недорогих спутниковых систем SAR которые получают изображения Земли с разрешением менее одного метра прямо с земной орбиты без необходимости в дорогостоящем и массивном телескопе.
Загоризонтные радары
Еще одним интересным специализированным направлением развития современных радаров стали так называемые загоризонтные системы (over-the-horizon radar, OTH) способные обнаруживать цели находящиеся дальше радиогоризонта. Существует два типа подобных систем.
Первая из них (backscatter, OTH-B) опирается на отражение радиоволн от ионосферы Земли. Солнечное излучение разрушающее молекулы газов создает в верхних слоях земной атмосферы слои из заряженных частиц (ионов и электронов) которые обладают определенной электропроводностью. Этих слоев несколько (в зависимости от того какой конкретно газ и как именно ионизирован), они зависят от времени суток (на дневной стороне планеты слоев больше, на ночной меньше) и даже от космической погоды (в частности от степени активности Солнца).
Попадающие на такой слой радиоволны возбуждают в этом слое электромагнитные колебания которые создают новый (отраженный от слоя) радиосигнал направленный обратно к поверхности. При этом эффективно отражается только сигнал направленный под очень малым касательным углом к слою и как правило только в сравнительно узком диапазоне относительно низких частот (3-30 МГц) который непрерывно меняется в зависимости от состояния ионосферы. Однако при правильном подборе частоты ионосфера образует по сути гигантское "зеркало" висящее над горизонтом и в это зеркало можно увидеть отражающийся в нем участок земной поверхности который находится значительно дальше радиогоризонта:
Радиолюбители активно использующие аналогичные отражения от ионосферы для радиосвязи на дальние расстояния знают что отраженный от ионосферы сигнал может потом снова отразиться от земли, затем снова от ионосферы и т.д. совершив несколько скачков (hops) что позволяет устанавливать радиосвязь на дальности вплоть до 20.000 км (буквально другая сторона Земли). Но на практике дальность действия современных OTH радаров ограничивается одним скачком и дальностью наблюдений не превышающей 3000 км. При этом поскольку эффективно отражается только радиосигнал идущий почти по касательной к ионосферному слою, то у всех подобных систем существует довольно большая мертвая зона (skip zone) в которой радиосигнал идет очень высоко над поверхностью и непригоден для практических наблюдений.
Поэтому у радаров такого типа минимальная дальность обнаружения целей зачастую составляет более 1000 км - все что летит ближе на сколь либо разумных высотах такой радар не увидит. Впрочем результат сильно зависит от состояния ионосферы и может в буквальном смысле меняться в зависимости от времени суток - при отражении от более низкого слоя уменьшается и минимальная и максимальная дальность наблюдений. Как правило радар вынужден гибко подстраиваться под состояние атмосферы подбирая нужную частоту
Кроме капризов ионосферы проблемой подобных радаров является использование низких частот (менее 30 МГц) которые, как мы помним, требуют использования громадных стационарных антенн. Например у американской системы AN/TPS-71 приемник - это набор из более чем 300 антенн высотой 6 метров, расставленных в массиве длиной 2.6 километров.
Помимо проблемы с огромными размерами подобные системы принципиально "двумерны" (не дают информации о высоте) и наблюдают свои цели "на фоне земли" (отраженный от "зеркала" ионосферы сигнал приходит к поверхности Земли "сверху") что сильно затрудняет обнаружение целей на фоне земного эха. Наконец само "зеркало" ионосферы крайне редко бывает хорошим, оно если так можно сказать "кривое" и сильно искажает наблюдаемую картинку. К тому же оно имеет ненулевую "толщину" которая "размазывает" изображение "по дальности". Все эти факторы делают радары OTH-B при всех их уникальных возможностях по дальности весьма посредственными системами буквально во всех остальных отношениях - от способности находить малозаметные цели до погрешности определения их координат.
Второй тип загоризонтных радаров называется "радарами поверхностной волны" (OTH-SW, "surface wave"). Земля (и особенно вода) тоже является проводником электричества. Достаточно низкочастотное радиоизлучение (менее 5 МГц для земной поверхности, 20 МГц для водной) порождает в них электрический ток который распространяется в виде волны вдоль поверхности и формирует над ней электромагнитную волну как бы "прилипающую" к Земле. Для поверхностных волн не существует радиогоризонта но они очень быстро затухают по сравнению с обычным радиоизлучением. Их практическая дальность даже в самых крупных системах ограничена величиной порядка 500 км над морем и значительно меньшим расстоянием над сухой поверхностью. OTH-SW не столь капризны как OTH-B но в остальном страдают от тех же самых недостатков: огромные размеры низкочастотных антенных решеток, большая потребляемая мощность, отсутствие информации по высоте, низкая чувствительность, большая погрешность определения координат.
На сегодняшний день радары типа OTH-SW в отличие от OTH-B остаются в основном лишь экспериментальными установками - их преимущества по дальности над обычными радарами как правило не настолько значительны чтобы оправдать их установку. Однако возможно в будущем это изменится. Например к потенциально интересным достоинствам радаров OTH радаров можно отнести их низкую уязвимость - антенные массивы из многих тысяч простых мачт занимающие несколько квадратных километров территории довольно сложно вывести из строя обычным оружием. Кроме того используемый в них чрезвычайно низкий частотный диапазон сильно отличается от того против которого проектируются системы "стелс". Но о "стелсах" мы поговорим в следующий раз
Продолжение следует...
Автор: 0serg
