В первой части рассказа о радарах мы поговорили о том как радары появились, а во второй об основах устройства импульсных радаров. И хотя мы еще не выбрались за период Второй Мировой, настала пора наконец поговорить о том как с радарами стали бороться и заодно обсудить следующую ступеньку развития - импульсно-доплеровские радары.

Упомянутые мною во второй статье японцы довольно быстро поняли угрозу исходящую от радара и прибегли к первой тактике борьбы о которой мы поговорим - стали летать на небольшой высоте. Земля у нас как известно круглая, а это значит что у нее есть понятие "горизонта" - расстояния на котором линия проведенная из глаз наблюдателя становится касательной к поверхности Земли и начинает "уходить в космос". Объекты находящиеся на поверхности земли за горизонтом невозможно увидеть. Чуть проще дела обстоят для объектов имеющих какую-то высоту - в этом случае верхнюю точку объекта можно увидеть на расстоянии равном сумме дальности горизонта для антенны и для объекта. Еще немного можно выгадать за счет того что лучи света распространяющиеся в атмосфере на самом деле не совсем прямые: из-за неодинаковой плотности воздуха на разной высоте лучи всегда чуть-чуть изгибаются в сторону поверхности.

Но все имеет предел: даже если мы поместим наблюдателя на высоту 50 метров, то летящую на высоте 10 метров цель он увидит лишь с расстояния не дальше чем 42 километра. Конечно полет на столь малых высотах доставлял японцам массу проблем - низколетящие самолеты уязвимее и расходуют больше топлива, но зато он вполне позволял надеяться что по крайней мере заметят их не за 150 км до цели. После того как самолеты приближались достаточно близко чтобы их маскировка больше не действовала, высоту следовало снова набрать - на это как раз оставалось вполне достаточно времени.

Ответ американцев на эту тактику стал довольно предсказуем: для начала они просто отодвинули радары подальше поставив их на кучу сравнительно небольших кораблей которые дежурили в море формируя заслон (radar picket) на приличном расстоянии от цели которую следовало защищать. Пятнадцати эсминцев типа Fletcher вполне хватало для того чтобы перекрыть все возможные направления атаки обеспечив достаточный запас времени на перехват. Ответ японцев тоже был вполне очевиден - одиночные корабли несущие дежурство в пикете были весьма уязвимы:

Более эффективным подходом было бы увеличить дальность обнаружения целей. Радар с вдвое большим радиусом действия заменяет шесть радаров с вдвое меньшим и его легче защитить. А наиболее очевидным решением для проблемы радиогоризонта был вариант просто поднять антенну радара повыше. В идеале - разместив радар на самолете. Так появились первые самолеты AEW (Airborne Early Warning) которые станут в дальнейшем одним из наиболее узнаваемых символов американской авиации:

Получилось прекрасно. Хотя на существующие американские самолеты палубной авиации было довольно тяжело впихнуть большой и тяжелый радар, технический прогресс обеспечил неплохие характеристики даже компактным моделям. AN/APS-20 уверенно обнаруживал низколетящие японские самолеты на расстоянии в 100-120 км а крупные цели типа кораблей мог заметить за 350! Дополнительным бонусом служило то что такой радар был чрезвычайно мобилен и мог без большого труда сопровождать американские ударные группы. Это было совершенно новое слово военной мысли. Если требовалось более длительное дежурство в воздухе, то AN/APS-20 можно было поставить и на B-17:

Размеры более крупного самолета позволили разместить там помимо радара несколько специалистов которые отслеживали воздушную обстановку на уровне глубже чем просто "замечена воздушная цель в таком-то направлении" и могли направлять для их перехвата другие самолеты - то есть обеспечивать AEW&C, Aerial Early Warning AND Control. Сегодня правда мы чаще используем для обозначения подобных самолетов другую аббревиатуру: AWACS (Airborne Warning And Control System) позаимствованную у конкретной модели американского самолета, хотя это и не совсем правильно.

Ну да ладно. Второй проблемой после радиогоризонта с которой столкнулись американцы стал уже упоминавшийся ground clutter, эхо от наземных помех․ Хотя импульсные радары и позволяли убрать близкие отражения и отделить цели от эха если их разделяло определенное расстояние, самолеты противника низко летящие над островом не относились ни к первой ни ко второй категории. Даже там где отметки целей удавалось отделить от помех это требовало от операторов напряженного внимания чтобы заметить небольшую точку появившуюся рядом с огромной светящейся блямбой: попробуйте-ка непрерывно делать это в течении нескольких часов. И это было проблемой - как я уже упоминал американцы перехватывали 70% целей над морем, но лишь 30% над сушей. Для ее решения требовалась система которую назовут Moving Target Indicator, MTI, способная отделить движущиеся цели от неподвижных и при необходимости убрать неподвижное эхо.

Идеей легшей в основу первых MTI стало использование линий задержки в которых стали "сохранять" копию каждого импульса принятого радаром. Специальная система автоматически "вычитала" из принимаемого импульса копию предыдущего ("delay line cancellation"). Сигнал отраженный от неподвижных предметов в каждом импульсе практически один и тот же, поэтому он при этом взаимно уничтожается. А вот сигнал от движущихся предметов в каждом импульсе разный - и полного уничтожения не происходит. Самые первые системы пытались сохранять "видеосигнал" поступавший на ЭЛТ, но их чувствительность была низкой (движущиеся отметки тоже не так уж сильно изменяли свое положение на экране между отдельными импульсами радара). Увеличение задержки до нескольких долей секунды помогало, но делало сканирование неприлично медленным.

В этом месте все обычно вспоминают про уже упоминавшийся допплеровский сдвиг частоты. Радиосигнал частотой отраженный от объект�� движущегося с радиальной скоростью относительно приемника будет принят на частоте где это длина волны. Для времен Второй Мировой (, ) можно было рассчитывать на допплеровский сдвиг до 30 кГц. Но к сожалению эта величина кажется большой только на первый взгляд. Те кто читал мою статью о преобразовании Фурье могут вспомнить что частотный спектр синусоидального сигнала обрезанного так чтобы из него получился импульс ширины T выглядит следующим образом:

Так вот время импульса у радара SCR-584 для которого выше приводилась оценка сдвига в 30 кГц составляет что в частотном диапазоне как нетрудно увидеть соответствует разбросу частот в импульсе составляющему 12 МГц. Удачи в поисках на этом фоне смещения всего в 0.03. То что работало для непрерывного излучения - непригодно для импульсного. Хотя с этим и можно бороться увеличивая длину импульса, но это пропорционально ухудшает точность определения координат возвращая нас обратно ко временам когда радар мог скорее лишь показать появление самолетов в каком-то районе.

Одним из возможных решений проблемы является усреднение между собою большого числа импульсов. Если мы возьмем не один импульс а бесконечно длинную их последовательность, то в спектре остаются лишь частоты кратные частоте повторения импульсов :

А раз у нас между пиками зияют глубокие провалы, то мы без труда сможем определить даже небольшое смещение в наблюдаемом спектре. Классно, правда? Но на практике накапливать импульсы не так-то просто, да и времени на это опять же может уйти прилично. Значительно более эффективным методом оказалось измерение фазы сигнала. Ведь возвращаемый от объекта сигнал приходит не просто с другой частотой, но и с некоторой задержкой. Оказывается что ее можно очень эффективно измерить.

Первые радары использовали очень простую схему обнаружения сигнала которая называется амплитудным детектором (envelope detector). Для этого принятый сигнал выпрямлялся диодом и сглаживался фильтром:

Но можно сделать несколько иначе. Для этого вместо использования диода надо умножить принятый сигнал на референсный (синусоиду с частотой излученного сигнала, показана оранжевым цветом).

Но в отличие от предыдущего метода если мы даже чуть-чуть сдвинем принятый сигнал относительно референсного то результат резко изменится - например

В обычных условиях это скорее проблема - нам обязательно надо точно синхронизировать частоту и фазу референсного сигнала с приемником чтобы о��еспечить их когерентность и это не так уж просто сделать. Но это резко упрощает обнаружение движущихся объектов. В обычном приемнике изменение сигнала при смещении объекта невелико:

А вот в фазовом детекторе разница огромна:

Обратите внимание на "синусообразность" выходного сигнала. Небольшая разница между принятой и референсной частотой порождает на выходе приемника сигнал с разностной частотой между этими двумя - то есть для радара как раз на частоте доплеровского сдвига. Я сильно его здесь преувеличил потому что в реальной жизни период даже максимальной допплеровской частоты (30 кГц) намного меньше продолжительности импульса () и мы увидим скорее такую картину:

Однако как мы увидим в дальнейшем доплеровская частота возникнет в наших измерениях еще не раз. Давайте попробуем оценить насколько сильно вообще фаза меняется от импульса к импульсу.

Нетрудно видеть что в фазовом приемнике принятый сигнал меняет знак при смещении цели на и возвращается обратно при смещении цели на за период между двумя импульсами радара. Определим скорость движения цели при которой это случится:

Эта величина называется первой слепой скоростью - если объект движется с ней, то для фазового радара сигнал принимаемый от такого объекта не отличается от сигнала отраженного от земли и система подавления отражений от земли скорее всего подавит и это отражение. Первая она потому что аналогичный результат получится и при смещении цели на величину кратную нескольким . Соотстветствующие слепые скорости кратны .

Доплеровский сдвиг у первой слепой скорости

и это не случайное совпадение. Представим себе что мы убрали импульсы и оставили только непрерывное излучение. Тогда как уже говорилось мы увидим на выходе фазового приемника ту самую доплеровскую частоту. Вычитание из сигнала его копии задержанной на величину можно рассматривать как фильтр и нетрудно показать что его амплитудно-частотная характеристика составит

Этот график собственно и показывает то насколько сильно у нас меняется сигнал на выходе фильтра: в точках он обращает сигнал в ноль так как фаза принимаемого сигнала между отдельными импульсами совпадает, а в точках он наоборот усиливает сигнал вдвое так как фаза при такой частоте меняется между импульсами на противоположную. Понимание этого факта лежит в основе конструирования более сложных и эффективных систем. Например фильтр задержки можно применить к сигналу дважды - это так называемая double delay cancellation line.

Как можно видеть подобный фильтр значительно лучше подавляет доплеровские частоты близкие к 0 но отличные от него и при этом не сильно хуже работает для всего остального. Другой возможной схемой является использование неравных промежутков между импульсами. Например если передавать первый импульс через время а следующий за ним за время , затем снова , затем снова ... то получающуюся частотную характеристику радара можно рассматривать как комбинацию характеристик для радаров с периодами повторения и :

Кроме того измеряя фазу в каждом импульсе можно определить доплеровскую скорость. В терминах цифровой обработки сигналов каждый импульс по сути является отдельным цифровым отсчетом, сэмплирующим синусоиду соответствующую доплеровскому сигналу с периодом . Однако мы вернемся к этому когда дойдем до периода где подобная цифровая обработка стала возможной. На начальных этапах фазовая обработка сигнала ограничивалась подавлением эха от наземных целей. На экране A-scope это выглядело примерно так:

Поскольку фаза у движущихся сигналов непрерывно меняется, то наблюдаемая амплитуда отметки тоже все время разная. Визуально накладываясь друг на друга отметки разной амплитуды формируют вместо "всплеска" характерную "бабочку" как показано на рисунке выше.

На экране PPI все проще. Метки просто слегка мерцают на частоте доплеровского сдвига взятого по модулю , но из-за длительного послесвечения люминофора этого даже на старых радарах обычно было практически незаметно.

Разобравшись с тем как радары умеют отфильтровывать помехи от неподвижных объектов - давайте поговорим про то как с немецкими радарами времен Второй Мировой боролись британцы. Летать на сверхмалых высотах для них было не вариантом - это в море пикеты расставлять требует некоторых усилий, а над Европой это скорее только ускорило бы обнаружение громадной армады из сотен здоровенных летящих машин и упростило их поражение. Поскольку полагаться на природные помехи не получалось то следовало придумать свои.

Первый из методов борьбы с радаром который зачастую сразу вспоминается почти всеми - это постановка самолетами облаков "ложных целей" и "дымовой завесы" из дипольных отражателей (chaff). Для этого из фольги (для электропроводности) наклеенной на бумагу (чтобы хорошо держала форму) нарезаются полоски строго определенной длины. Если все сделано правильно, то получается как бы миниатюрная антенна которая хорошо резонирует с сигналом излучаемым радаром и охотно переизлучает его обратно в пространство. Остается просто сбросить мешок подобных полосок в воздухе чтобы получилось целое облако, прекрасно отражающее сигнал радара и сравнительно медленно падающее на землю. В результате на экране противника возникает очень яркая ложная цель мешающая обнаружению настоящих целей и срывающая автоматические методы наведения.

Забавно что этот метод защиты пришел в голову почти одновременно по сути всем кто работал с военными радарами - независимо друг от друга его изобрели в 30е и американцы, и британцы, и немцы и японцы. И каждый, естественно, этот метод тут же засекретил. При этом было очевидно что если начать его применять на практике, то противник моментально поймет как он работает и сможет быстро воспроизвести у себя такую же систему. А кому охота получить врага который сможет эффективно подавлять твои собственные радары? Поэтому метод все берегли и несколько лет его никто не использовал, что было весьма забавно в силу того что в реальности все об этом методе знали.

Необычная ситуация сохранялась вплоть до лета 1943 года когда британцы ощутили что перевес в бомбардировочной авиации уверенно перешел на их сторону а усовершенствованные радары союзников, вероятно, смогут в будущем справиться с подобной помехой. Дело в том что облака диполей сброшенные с самолета очень быстро теряют свою скорость и становятся если не совершенно неподвижными, то очень медленно движущимися целями. А описанная ранее система MTI как мы только что обсудили умела неплохо их отфильтровывать. Фактически операторы радаров уже сталкивались с похожей помехой природного происхождения - дождями:

Дешевая фольга отлично зарекомендовала себя в ночных налетах на Германию и сыграла немалую роль в снижении эффективности немецкого зенитного огня. Как и ожидали британцы немцы и японцы тоже практически сразу после этого стали применять ее и в своих налетах. Боевое применение довольно быстро выявило ключевой недостаток подобного вида помех - хотя они неплохо срывали у радаров автоматические методы наведения они никак не помогали замаскировать само наличие в воздухе группы самолетов. Скорее даже наоборот - развешанные в воздухе облака фольги позволяли противнику довольно уверенно определить примерное положение самолетов которые ее сбрасывали. Кроме того помеха была принципиально временной - она постепенно падала на землю и сносилась ветром после чего оператор радара мог достаточно уверенно отделить ее от настоящих самолетов. Наконец chaff был достаточно чувствителен к длине волны радара и не мог эффективно блокировать все диапазоны частот одновременно.

Британцы не унывали. Следующим достаточно очевидным решением работавшим против радаров были "глушилки" излучающие сигнал на частоте приемного тракта радара. На фоне мощного сигнала глушилки слабый сигнал отраженный от самолета терялся.

Существует мнение что громкий сигнал от "глушилки" который по сути мало чем отличается от сигнала радиомаяка с головой выдает положение излучающего его самолета, но на самом деле это не совсем так. Во-первых глушилка не позволяет определить расстояние до цели. А во-вторых на радарах она формирует не одно направление а огромные закрашенные сектора, поскольку сигнал от глушилки настолько силен что продолжает приниматься даже при повороте антенны радара в сторону и даже при приеме на побочные лепестки направленности антенны как видно на картинке показанной выше. Всего несколько самолетов участвующих в глушении способны сделать картинку на экране радара практически полностью бесполезной и им при этом не требуется лететь в том же месте что и другие самолеты без глушилок которые они таким образом защищают.

К сожалению в отличие от пассивных помех в виде фольги "глушилка" работает только при правильном попадании в частотный диапазон радара. Первые радары использовали очень ограниченный набор частот так что поначалу это не было критическим недостатком. Но немцы быстро учились и второе поколение радаров уже могло перестраиваться между несколькими частотами, выбирая среди них ту на которой глушение не проводилось. В ответ британцы стали ставить на самолеты по нескольку глушилок в разных частотных диапазонах и приемники радарного излучения. Специально обученные операторы периодически "слушали" эфир и выставляли нужную помеху. Так произошло рождение электронной войны (electronic warfare) и "глушилка" стала в ней первой системой electronic counter-measures (ECM)․ Но далеко не единственной.

Так к примеру сигнал радаров не обязательно глушить "по площадям". Вместо того чтобы излучать непрерывный громкий сигнал система постановки помех может излучать короткие негромкие импульсы аналогичные импульсам самого радара. Принимающий их радар не мог отличить их от собственных и отображал на экране как новые цели на расстояниях меньше (или больше) чем реальная. Этот метод хорош тем что он не столь очевиден как стандартное глушение и может создавать у оператора радара ощущение того что он охотится за реальной целью. Грамотная синхронизация излучаемых импульсов с параметрами сканирования радара позволяет создавать ложные цели не только по направлению на сам самолет, но и где угодно в пределах главного лепестка направленности - и даже лепестков боковых! Отличный способ задурить противника заставив его направить свои силы туда где в реальности ничего нет.

Существовали и более экзотические методы ECM. Например немецкие системы ПВО того времени наводили ночные истребители на цели по данным радара с земли: радар стоявший на самих самолетах имел слишком малый радиус действия для того чтобы находить цели сразу же после взлета. На некоторых бомбардировщиках британцы стали ставить комплект аппаратуры который прослушивал частотный диапазон использовавшийся немцами для связи с истребителями и отображал его в графическом виде. Увидев на экране сигнал оператор мог настроиться на соответствующую частоту и если он действительно слышал там немецкую речь, то он включал глушилку забивавшую приемник немецкого пилота громким жужжанием.

Другой боевой "противорадарной" системой стали специализированные приемники наводившиеся на сигналы немецких радаров. Противорадарных ракет тогда еще не было, но полный залп НУРСов со штурмовика справлялся с уничтожением радара лишь немногим хуже. Схожие системы помогали пилотам истребителей сопровождения находить в ночи немецкие истребители - специализированный приемник "слышит" сигнал радара на расстояниях на порядок меньше чем сам радар начинает слышать сигнал отраженный от цели. К концу 1943 британцы создали целый флот самолетов специализировавшихся на электронной борьбе и этот флот эту борьбу уверенно выигрывал.

Думаете что это все? Как бы не так. Помимо систем так сказать "группового" действия британцы создали и системы "индивидуальной самообороны". Помните как мы обсуждали во второй части статьи систему конического наведения? Подобные радары определяют положение цели быстро вращая в пространстве луч радара и выбирая то направление в котором отраженный сигнал сильнее. Так вот на самолете который облучается подобной системой сигнал радара тоже "слышен" то сильнее то слабее. Специализированная британская "глушилка" автоматически синхронизировалась с этим периодом и начинала излучать сигнал в противофазе: сильнее когда принимаемый от радара сигнал был слабым (то есть луч радара смотрел в сторону от самолета) и слабее, когда он наоборот усиливался. Нехитрая автоматика радара интерпретировала это как прямое указание на то что антенну следует разворачивать в сторону строго противоположную реальному направлению на самолет и наведение за секунды срывалось. В отличие от других "глушилок" ее не требовалось держать постоянно включенной (выдавая тем самым положение самолета) а ее мощность могла быть на порядок ниже.

Наконец последним из элементов "электронной войны" стало создание для радаров систем опознавания "свой-чужой" (identification friend or for, IFF). Создавать ее начали по сути сразу же, как только появились первые работоспособные военные радары а жизненную ее необходимость наглядно продемонстрировал бой в Перл-Харборе где операторы радара смогли своевременно заметить приближающихся японцев, но приняли их за группу американских самолетов которая должна была прибыть на аэродром в тот же день.

Первые системы IFF подключались так сказать "непосредственно к радару". Самой первой известной попыткой была установка на самолет специального отражателя сигнала который мог усиливать его, а мог электрическим образом "отключаться". Отражатель периодически то включался то выключался и метка на экране радара как бы "мигала" становясь то ярче то более тусклой. Вскоре систему усовершенствовали - на самолеты стали ставить активный приемник, который "слушал" сигнал от радара и "повторял" принятый импульс. По сути это была та же самая система которая использовалась для создания ложных отметок на радарах противника, только здесь "ложная отметка" возникала прямо рядом с меткой самолета и по этой дополнительной "черточке" оператор радара мог узнать какой из самолетов "свой". Такая система была достаточно удобной но, конечно, не слишком защищенной.

Следующий шаг сделали немцы - на их самолеты ставилась специальная машинка в которую вводился бинарный "пароль" из 10 бит. Ответчик "свой-чужой" непрерывно слушал радиоэфир на определенной частоте и начинал "отвечать" на сигналы радара только получив вначале "запрос". Нехитрый таймер последовательно передавал все 10 бит кода (единичка - передаем сигналы в эту секунду, 0 - не передаем) после чего отключал передатчик. Для оператора радара система работала следующим образом: когда ему нужно было узнать где находятся "свои" он нажимал на специальную кнопку (отправлявшую запрос), после чего рядом со "своими" возникала уже знакомая нам мигающая полоска передававшая последовательностью вспышек сегодняшний код опознавания который при необходимости можно было быстро сменить прямо в полете. Отметки теперь не забивали без необходимости экран и подделать их было уже не так просто. Интересно что британцы успешно "хакнули" эту систему. Хотя они и не научились подделывать сами коды опознания они воспользовались тем что канал через который передавался "запрос" защищен не был и стали его спамить. В результате ответчик "свой-чужой" на немецких самолетах начинал работать в практически непрерывном режиме, выдавая тем самым позицию самолета. Это не всегда было фатально для их пилотов, но подорвало доверие к системе и в какой-то момент ее просто перестали включать.

На этом потенциал подобных систем с "прямой врезкой в радар" был исчерпан. Помимо того что их было сложно сделать защищенными они еще и должны были уметь работать с кучей разных типов радаров которые посылали свои импульсы на разных частотах. Наконец радары в какой-то момент перешли на столь высокий диапазон частот в котором ответчик (на то время) в виде привычного радиопередатчика было сделать просто технически невозможно. В результате все более поздние системы работали уже независимо от основного радара на отдельной выделенной частоте. Приемопередатчик системы мог использовать либо основную антенну радара (но на своей частоте), либо отдельную антенну синхронизированную с основной; сгенерированный им сигнал подмешивался к сигналу вы��одимому на дисплей оператора.

Общий их принцип работы транспондеров на долгие годы сложился довольно простым. Запросчик системы IFF отправлял на определенной частоте последовательность импульсов. Если эта последовательность совпадала с нужной то ответчик выдавал в ответ на другой частоте другую последовательность импульсов - т.н. sqawk code который выставлялся пилотом и мог легко измениться. И на этом собственно все. Это обеспечивало какую-то защиту по каналу приема запроса, по каналу передачи ответа а использование двух разных частот позволяло избежать ситуации когда ответ от запросчика мог быть ошибочно интерпретирован как другой запрос или помешать ему. Мы хорошо знаем об этом потому что в конце 50х старые военные системы были адаптированы для гражданской авиации, стандартизованы и в продолжают использоваться в этой роли до сих пор. Практически любой самолет в мире сегодня еще до вылета получает от диспетчера 4-значный цифровой код который будет идентифицировать его для диспетчеров (как гражданских так и военных) и выставляет его на панели приборов.

На этой позитивной ноте мы наконец заканчиваем с радарами времен Второй Мировой :).

В результате всех инноваций военного времени и первых послевоенных годов к 50м годам у многих сложилось впечатление что радар является законченной и совершенной системой несмотря на выдающиеся достигнутые характеристики вот-вот станет практически бесполезным как боевое средство из-за мер электронного противодействия. Британцам и американцам в какой-то мере помогало только их общее техническое превосходство, но практически не было сомнений что их противник со временем сможет воспроизвести всю их навороченную электронику и успешно задавить после этого их радары. Но о том какой выход был найден из образовавшегося кризиса мы поговорим в следующий раз.

Продолжение следует...