P1 NOVÉ TRENDY V RADIOLOKACI Libor Dražan Katedra radiolokace; Fakulta vojenských technologií Univerzita obrany, Brno, libor.drazan@unob.cz Abstrakt Příspěvek se zabývá problematikou nových trendů vývoje v radiolokaci se zaměřením na oblast obrany a bezpečnosti, která zásadně ovlivňuje aplikace radiolokační techniky v ostatních oblastech života. Pozornost bude věnována zejména trendům vývoje v oblasti detekce cílů se sníženou účinnou radiolokační odraznou plochou charakteru STEALTH. V příspěvku bude také věnována pozornost některým aplikacím radiolokačních systémů v oblastech mimo obranu a bezpečnost. Klíčová slova: STEALTH, bistatický radiolokátor, SAR, ISAR, UWB Abstract This paper deals with new trends of development in the area of radar systems aimed at defense and safety branches. Defense and safety have a fundamental impact on radar technology applications in other areas of life. The paper pays attention particularly to the trends of development in detection of target with the low radar cross-section STEALTH type. Also some applications of the radar systems outside the defense and safety branches are discussed. Keywords: STEALTH, bistatic radar, SAR, ISAR, UWB 1 Úvod Základním úkolem radiolokačních systémů bylo již od období jejich vzniku zejména zjišťování a sledování vzdušných a posléze i hladinových a pozemních cílů. Radiolokační technika se nejvíce rozvíjela v průběhu 2. světové války a následně i v období studené války. Schopnosti detekce a sledování cílů radiolokačními systémy byly neustále zlepšovány z důvodu včasného zjištění cílů potenciálního protivníka, aby obránci mohli včas reagovat na případný útok. Současně se zvyšováním schopnosti detekce a sledování cílů radiolokačními systémy probíhal vývoj metod maskování vlastních prostředků a metod elektronického boje omezujících zjištění vlastních cílů radiolokačními systémy protivníka. Zásadní přelom v této soutěži nastal aplikací metod STEALTH umožňujících výrazné snížení dosahu radiolokačních systémů na cíle tohoto charakteru a tím i získání dočasné výhody při případné bojové operaci. 2 Technologie STEALTH Bojový prostředek využívající technologii STEALTH je konstruován tak, aby byla snížena jeho detekce radiolokátory, detektory v infračerveném i viditelném spektru a v akustickém spektru. Snížení detekce je dosahováno omezením odrazivosti a vyzařování elektromagnetických nebo akustických vln v odpovídajícím spektru. Další popis bude věnován technologii STEALTH pro snížení detekce radiolokátory. Základním teoretickým přístupem snížení odrazivosti bojového prostředku je přizpůsobení jeho impedance volnému prostoru pokrytím útlumovou vrstvou s impedancí 377 Ω umístěnou ve vzdálenosti λ/4 od povrchu bojového prostředku. Mezeru mezi útlumovou vrstvou a povrchem bojového prostředku lze snížit jejím vyplněním materiálem, ve kterém je vlnová délka menší než ve vnějším prostoru. K získání větší šířky pásma je nutné použít materiál s nízkou vodivostí a velkým poměrem permeability k dielektrické konstantě. Tuto metodu lze aplikovat omezeně vzhledem k použitelným materiálům pouze v pásmu centimetrových vln. Pro snížení odrazivosti objektů v širším kmitočtovém pásmu se používá několik dalších technik: Pokrytí objektu materiálem absorbujícím rádiové vlny (Radio Absorbing Material RAM). Použití kompozitního materiálu transparentního pro rádiové vlny. Odstranění rohů, hran, koutů a povrchových nespojitostí z objektu. Energii odraženou od objektu nasměrovat mimo směr, ze kterého je objekt ozařován. Technologie STEALTH je aplikována zejména na stíhacích, bombardovacích a průzkumných letounech, ale v posledních létech i na hladinových plavidlech a bojových vozidlech. Na obr. 1 až 6 jsou zobrazeny konkrétní aplikace technologie STEALTH na letounech a plavidlech (B-2, Chengdu J-20, F-117, Suchoj T 50, La Fayette, Sea Shadow). Obr. 1. Bombardovací letoun USAF s technologií STEALTH B-2.
P2 Obr. 2. Slaboproudý obzor Čínský letoun s technologií STEALTH Chengdu J-20. Obr. 6. Experimentální plavidlo s technologií STEALTH vyrobené společností Lockheeed pro námořnictvo Spojených států. V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty radiolokační účinné odrazné plochy vybraných objektů bez použití technologie STEALTH. Tab. 2 uvádí hodnoty radiolokační účinné odrazné plochy letounů využívajících technologii STEALTH. Tab. 1. Hodnoty radiolokační účinné odrazné plochy vybraných objektů. Objekt Obr. 3. Stíhací letoun USAF s technologií STEALTH F-117. Malý jednomotorový letoun Strategický bombardér B52 Malá otevřená loď Fregata (výtlak 1000 t) Nákladní automobil Osobní automobil Jízdní kolo Osoba Pták Hmyz Radiolokační účinná odrazná plocha [m2] 1 100 0,02 5000 200 100 2 1 0,01 10-5 Tab. 2. Hodnoty radiolokační účinné odrazné plochy letounů využívajících technologii STEALTH. Objekt Obr. 4. Ruský stíhací letoun s technologií STEALTH Suchoj T 50. Strategický bombardér B1B Strategický bombardér B2 Stíhací letoun F117A Radiolokační účinná odrazná plocha [m2] 0,75 0,1 0,025 Vliv použití technologie STEALTH na radiolokační cíle lze nejlépe posoudit s využitím základní radiolokační rovnice 𝑃 𝐺 2 𝜆2 𝜎𝜎 𝑟𝑚𝑚𝑚 = (4𝜋)3 𝑡 𝑘𝑇0 𝐵𝐵𝑆 𝑁𝑚𝑚𝑚 Obr. 5. Francouzská fregata s technologií STEALTH La Fayette. 1 4. (1) Při snížení radiolokační účinné odrazné plochy (Radar Cross-Section RCS) v (1) označené symbolem σ z hodnoty 100 m2 na hodnotu 0,01 m2 použitím technologie STEALTH dojde k desetinásobnému snížení dosahu radiolokátoru na tento cíl a tím se výrazně zkrátí doba, během které může obránce reagovat na vzdušný útok. V souvislosti se snížením radiolokační účinné odrazné plochy použitím technologie STEALTH hrají velkou roli také rozlišovací znaky cíle (target signature). Radiolokační účinná odrazná plocha je tvořena odraznou plochou souboru dílčích odražečů cíle. V případě malého poškození cíle může dojít ke změně rozlišovacích znaků cíle a k výraznému zvýšení RCS v určitém směru, čímž bude degradováno použití technologie
P3 STEALTH. Proto je při návrhu použití technologie STEALTH na určitý objekt důležité stanovit rozlišovací znaky cíle. K tomu je používána metoda využívající syntetickou aperturu (Synthetic Aperture Radar - SAR) nebo metoda využívající inverzní syntetickou aperturu (Inverse Synthetic Aperture Radar - ISAR). Uvedené metody lze však využít i při detekci objektů, jejichž radiolokační účinná odrazná plocha byla snížena použitím technologie STEALTH. 3 Radiolokační techniky použitelné pro snížení účinnosti technologie STEALTH Použití technologie STEALTH na bojové technice přináší řadu výhod v bojových operacích. Z tohoto důvodu jsou hledány radiolokační techniky umožňující tyto výhody snížit. V dalším textu jsou uvedeny některé radiolokační techniky působící proti technologii STEALTH: Bistatické radiolokátory umožňují zachytit energii rozptýlenou od cíle do jiných směrů, mimo směr ozařování cíle pomocí přijímače umístěného na jiné pozici než je ozařovač. KV nebo VKV radiolokátory - rozlišovací znaky cíle narůstají na kmitočtech, na kterých se chová cíl jako rezonátor (vlnová délka je srovnatelná s rozměry cíle). Zároveň má materiál absorbující rádiové vlny (Radio Absorbing Material RAM) na nižších kmitočtech nižší účinnost. Širokopásmový radiolokátor (Ultra Wide Band UWB) může využít mnoho rezonančních kmitočtů cíle, protože je obtížné realizovat technologii STEALTH v širokém pásmu kmitočtů. Radiolokační sítě umožňují synchronně sledovat cíl z mnoha různých úhlů současně. Existuje několik technik, které mohou zlepšit technické parametry běžně používaných radiolokátorů, např. zlepšení modelů clutteru, redukce fázového šumu, zlepšení sledovacích algoritmů a využití flexibility radiolokátorů s fázovanou anténní soustavou. V dalším textu bude věnována pozornost popisu fungování a popisu základních principů činnosti nejvýznamnějších radiolokačních technik použitelných pro snížení účinnosti technologie STEALTH. 4 Bistatické radiolokátory Bistatický radiolokátor je definován jako radiolokační systém, který má vysílač a přijímač umístěné na jiných místech. Bistatický radiolokátor původně vznikl doplněním monostatického radiolokátoru dalším přijímačem umístěným mimo monostatický radiolokátor. Základní geometrické uspořádání bistatického radiolokátoru je uvedeno na obr. 7. Základní přístup k odvození radiolokační rovnice pro bistatický radiolokátor je obdobný jako pro monostatický radiolokátor a je znázorněn na obr. 8. Podrobnější popis je uveden v literatuře [1]. Z rovnice na obr. 7 lze odvodit, že hodnota poměru výkonu signálu k výkonu šumu (P r /P N ) je minimální pro r 1 =r 2. Maximální hodnotu poměru výkonu signálu k výkonu šumu (P r /P N ) lze dosáhnout v případě, že cíl zakrývá vysílač nebo přijímač. Z bistatické radiolokační rovnice lze znázornit tzv. Cassiniho elipsy (zobrazené na obr. 9) znázorňující konstantní detekční vzdálenosti r 1 r 2 = konstanta = c. Podrobnější popis je uveden v literatuře [1], [2], [3]. Obr. 7. Obr. 8. Obr. 9. r 1 r 2 vysílač L přijímač (r 1 + r 2 ) 2 L 2 r 2 = 2(r 1 + r 2 + L sin Θ R ) Základní geometrické uspořádání bistatického radiolokátoru. Základní přístup k odvození radiolokační rovnice pro bistatický radiolokátor. Znázornění Cassiniho elips konstantní detekční vzdálenosti. Bistatické radiolokátory mají řadu předností oproti monostatickým. S rozvojem výpočetních systémů a nových metod zpracování signálů vzniká stále větší množství bistatických radiolokačních systémů využívajících sítí různých druhů vysílačů sloužících k ozařování cílů. Pro bistatickou radiolokaci jsou využívány nebo testovány následující druhy vysílačů: Značné množství radiolokátorů pro řízení letového provozu, radiolokátory včasné výstrahy atd. obvykle provádějí skenování v azimutu, což vyžaduje synchronizaci přijímače s vysílačem. cíl θ R
P4 Amplitudově modulované rádiové vysílače v pásmu KV použité kmitočty 3 až 30 MHz. Kmitočtově modulované rádiové vysílače v pásmu VKV použité kmitočty okolo 100 MHz, všesměrové vyzařování v azimutu, vertikální vyzařovací diagram optimalizovaný na pokrytí přízemních výšek. Pozemní analogové televizní vysílání použité kmitočty okolo 550 MHz, všesměrové vyzařování v azimutu, vertikální vyzařovací diagram optimalizovaný na pokrytí přízemních výšek. Pozemní digitální televizní vysílání použité kmitočty okolo 750 MHz (VKV), všesměrové vyzařování v azimutu, vertikální vyzařovací diagram optimalizovaný na pokrytí přízemních výšek, lepší vlastnosti z hlediska jednoznačnosti než analogové vysílání. Pozemní digitální rádiové vysílání použité kmitočty okolo 220 MHz, všesměrové vyzařování v azimutu, vertikální vyzařovací diagram optimalizovaný na pokrytí přízemních výšek, lepší vlastnosti z hlediska jednoznačnosti než analogové rádiové vysílání, jednokmitočtová síť. Základnové stanice mobilních telefonů - použité kmitočty okolo 900 MHz, 1,8 GHz, případně 2 GHz, všesměrové vyzařování v azimutu, vertikální vyzařovací diagram optimalizovaný na pokrytí přízemních výšek, masivně multistatický systém, tendence použití velkého množství základnových stanic, snížení vysílacího výkonu a použití chytrých antén. Krátkovlnné zahorizontální radiolokátory (Over The Horizon OTH) - pracují na kmitočtech 5 až 28 MHz s použitím stálé nosné vlny (CW) nebo s kmitočtovou modulací (FM). Satelitní vysílače DSB TV kmitočtové pásmo 11 až 12 GHz, geostacionární dráha. Vysílač satelitního radiolokátoru se syntetickou aperturou (Synthetic Aperture Radar SAR) pracuje na kmitočtu 5,3 GHz. Výše uvedené druhy vysílačů jsou používány v komerčních bistackých radiolokačních systémech a v demonstrátorech bistatických systémů. Některé konkrétní aplikace jsou uvedeny v literatuře [4], [5], [6] a [7]. 5 Radiolokátory pracující v pásmech KV a VKV Bojovým prostředkům, u kterých je pro snížení účinné radiolokační odrazné plochy použita technologie STEALTH, narůstají rozlišovací znaky cíle na kmitočtech, na kterých se chová cíl jako rezonátor (vlnová délka je srovnatelná s rozměry cíle). Zároveň má materiál absorbující rádiové vlny (Radio Absorbing Material RAM) na nižších kmitočtech nižší účinnost. Z tohoto důvodu se jeví použití radiolokátorů pracujících v pásmu KV a VKV jako účinná radiolokační technika k zjišťování objektů s technologií STEALTH. Na obr. 5 jsou fotografie radiolokačních systémů pracujících v pásmu VKV (P-14, 55Zh6-1 Něbo UYe, Vostok E, 1L13-3 Něbo SV, JY-27, P-19). Obr. 10. Ruský radiolokátor P-14 pracující v pásmu VHF. Obr. 11. Ruský 3D radiolokátor 55Zh6-1 Něbo UYe pracující v pásmu VHF. Obr. 12. Ruský 2D radiolokátor Vostok - E pracující v pásmu VHF.
Slaboproudý obzor P5 𝐹 𝐹 𝐵 = 2 𝐹𝑚𝑚𝑚+𝐹𝑚𝑚𝑚 0,2. 𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚 (2) V praxi jsou za širokopásmový radiolokační systém považovány také systémy s šířkou pásma větší než 500 MHz na úrovni -10 db. Pro UWB radiolokátory se nejvíce používají následující druhy signálů: Obr. 13. Ruský radiolokátor 1L13-3 Něbo SV pracující v pásmu VHF. Bipolární nebo unipolární videoimpulzy s dobou trvání impulzu stovky pikosekund až jednotky nanosekund. Radioimpulzy s kódovou nebo kmitočtovou vnitroimpulsní modulací s odpovídající šířkou pásma. Radioimpulzy s dobou trvání impulsu jednotky nanosekund s extrémním vysílaným impulsním výkonem (stovky MW až jednotky GW). S rozvojem technologií generování širokopásmových signálů a zejména s rozvojem metod zpracování signálů nacházejí UWB radiolokátory stále větší uplatnění jak ve vojenských a bezpečnostních aplikacích, tak i v oblasti průmyslu. V dalším textu jsou uvedeny nejvýznamnější oblasti současných a budoucích aplikací UWB radiolokátorů. Aplikace UWB radiolokátorů: Obr. 14. Čínský radiolokátor JY-27 pracující v pásmu VHF. UWB radiolokátory krátkého dosahu (metry až desítky metrů). UWB radiolokátory pro vzdušný přehled. UWB radiolokátory pro přehled v hustých médiích. UWB radiolokátory dlouhého dosahu (kilometry až desítky kilometrů). Radiolokátory pro detekci cílů typu STEALTH. Radiolokátory se syntetickou aperturou. UWB radiolokátory pro přehled vodních ploch, letišť a terénu. Řada konkrétních aplikací UWB radiolokátorů je uvedena v literatuře [8], [9], [10], [11] a [12]. 7 Obr. 15. Ruský radiolokátor P-19 pracující v pásmu UHF. 6 Širokopásmový radiolokátor (Ultra Wide Band UWB) Za širokopásmový radiolokační systém (UWB) lze považovat takový systém, jehož relativní šířka pásma je větší než 20 % na úrovni -10 db podle rovnice Radiolokátory se syntetickou a inverzní syntetickou aperturou aperturou Radiolokátory se syntetickou aperturou umožňují podstatné zvýšení rozlišovací schopnosti a tím i nalezení rozlišovacích znaků cíle (target signature) vytvořením syntetické antény pohybem radiolokátoru, při kterém dochází k záznamu signálů odražených od cílů a k následnému zpracování všech zaznamenaných signálů. Obrázek 16 znázorňuje základní princip fungování radiolokátoru se syntetickou aperturou. Přepínač v obr. 16b představuje diskrétní vzorkování pohybu jedné antény radiolokátoru. Příčná rozlišovací schopnost radiolokátoru s reálnou anténou je dána vztahem (3) a radiolokátoru se syntetickou aperturou je dána vztahem (4): DX R R X S = R λ, (3) λ, (4) Deff 2 Leff
P6 Podrobnější popis radiolokačních systémů se syntetickou a inverzní syntetickou aperturou je proveden v literatuře [13]. Obr. 16. Základní princip fungování radiolokátoru se syntetickou aperturou. kde DX R DX S R D eff L eff λ příčná rozlišovací schopnost při použití reálné antény [metry], příčná rozlišovací schopnost při použití syntetické antény [metry], vzdálenost cíle [metry], efektivní délka reálné antény [metry], efektivní délka syntetické antény [metry], vlnová délka [metry]. Rozlišovací schopnost radiolokátoru se syntetickou aperturou (SAR) závisí zejména na velikosti efektivní délky syntetické antény L eff, která je dána rychlostí pohybu radiolokátoru a dobou, po kterou dochází ke sběru dat z přijímače radiolokátoru. Pokud má radiolokátor se syntetickou aperturou pracovat v reálném čase, omezují maximální dobu sběru dat a tedy i rozlišovací schopnost zejména možnosti signálového procesoru. Pro získání velmi vysoké rozlišovací schopnosti bez nutnosti zpracování signálu v reálném čase jsou používány systémy s rychlým přenosem dat do centra vybaveného výkonným procesorem nebo je prováděno zpracování formou postprocesingu po návratu z mise. Další technikou používanou k nalezení rozlišovacích znaků cíle (target signature) je technika inverzní syntetické apertury (Inverse Synthetic Aperture Radar). K vyhodnocení rozlišovacích znaků cíle je využita změna dopplerova kmitočtu odraženého signálu z dílčích odražečů na cíli vlivem fluktuace cíle při pohybu. Princip radiolokátoru s inverzní syntetickou aperturou je znázorněn na obr. 17. Obr. 17. Základní princip fungování radiolokátoru s inverzní syntetickou aperturou. 8 Závěr Problematika současných trendů v oblasti radiolokace je velmi široká. Základním trendem v oblasti vojenství a bezpečnosti je snaha snížit zjistitelnost bojové techniky. K dosažení tohoto cíle je základním postupem snížení účinné radiolokační odrazné plochy s využitím technologií STEALTH. S rozvojem technologií STEALTH jsou také zdokonalovány metody umožňující eliminovat výhodu použití této technologie. Jedná se zejména o metody aktivní i pasivní bistatické radiolokace, radiolokace v pásmu KV a VKV, UWB radiolokátory a radiolokátory se syntetickou aperturou, ale i další postupy zlepšující zpracování signálů. Literatura [1] Jackson, M. C. The geometry of bistatic radar systems. IEE Proc. Communications, Radar and Signal Processing, 1986, vol. 133, no. 7, p. 604-612. [2] Crispin, J. W., Goodrich, R. F., Siegel, K. M. A theoretical method for the calculation of the radar cross-sections of aircraft and missiles. In Report 2591-1- 1-M, AF 19(604)-1949, AFCRC-TN-59-774, University of Michigan, 1959. [3] Kell, R. E. On the derivation of bistatic RCS from monostatic measurements. Proc. IEEE, 1965, vol. 53, p. 983-988. [4] Howland, P. E. Target tracking using television-based bistatic radar. IEE Proc. Radar, Sonar & Navigation, 1999, vol. 146, no. 3. [5] Cherniakov, M., Nezlin, D., Kubik, K. Air target detection via bistatic radar based on LEOS communication signals. IEE Proc. Radar, Sonar & Navigation, 2002, vol. 149, no.1, p 33-38. [6] Koch, V., Westphal, R. A new approach to a multistatic passive radar sensor for air defense. In Proc. IEEE Intl. Radar Conference, 1995, Washington, p. 22-28. [7] He, X., Cherniakov, M., Zeng, T. Signal detectability in SS-BSAR with GNSS non-cooperative transmitters. In Special Issue of IEE Proc. Radar, Sonar and Navigation on Passive Radar Systems, 2005, vol. 152, no. 3, p. 124 132,. [8] Harmuth, H. Nonsinusoidal Waves for Radar and Radio Communications. Academic Press, New York, 1981. [9] Astanin, Yu. L., Kostylev A. A. Ultra-Wideband Radar Measurements. Analysis and Processing. London, 1997. [10] Taylor, J. D. (ed). Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems. CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, 1995. [11] Taylor, J. D. (ed). Ultrawideband Radar Technology. CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, 2000. [12] Immoreev, I. J. Ultra-Wideband Radar. New opportunities, unusual problems, system features. In Proceeding of Moscow State Technical University, 1998, p. 25-26. [13] Edde, B. Radar. Principles, technology, applications. Prentice Hall, New Jersey, 1993.