[تحلیل ویژه] تحقیق در مورد قابلیت‌های شناسایی سه رادار باند اصلی شامل باندهای S، C و X در سیستم‌های ضد پهپاد

استقرار گسترده وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد) در حال تغییر چشم انداز تهاجمی-دفاعی در دفاع امنیتی در ارتفاع پایین و رویارویی های مدرن در میدان نبرد است. اعم از شناسایی تاکتیکی در مقیاس کوچک و حملات کامیکازه گرفته تا حملات ازدحامی و حملات دوربرد در سطح استراتژیک، پهپادها به عاملی محوری در تغییر پویایی میدان نبرد تبدیل شده‌اند. انتخاب باند رادارها به عنوان «نخستین خط دفاعی» در سامانه‌های ضد پهپاد، مستقیماً کارایی شناسایی اهداف پهپاد و سرعت پاسخ زنجیره‌های دفاعی را تعیین می‌کند. به ترتیب دارای خواص الکترومغناطیسی متمایز، سه باند اصلی رادار - S، C و X - سناریوهای کاربردی متفاوت و آستانه‌های توانایی برای تشخیص پهپاد را پوشش می‌دهند. خواه با پهپادهای بزرگ شناسایی یکپارچه یا پهپادهای مینیاتوری درجه مصرف‌کننده، عملیات در محیط‌های ضد اقدام الکترومغناطیسی پیچیده یا شرایط شدید هواشناسی، سازگاری فنی، امتیازات تاکتیکی و معایب عملیاتی عملی رادارها در باندهای مختلف، تأثیرات عمیقی بر منطق ساخت‌وساز و منابع سیستم‌های دفاعی ضد AVU می‌گذارد.

1.ویژگی ها و تفاوت های رادارهای باند S، C و X

شناسایی هواپیماهای بدون سرنشین (پهپاد) توسط رادارها اساساً فرآیندی است که شامل انتقال امواج الکترومغناطیسی باندهای فرکانسی خاص، دریافت سیگنال‌های پژواک منعکس شده توسط اهداف، استخراج پارامترهای مشخصه اصلی مانند برد هدف، سرعت، نگرش و سطح مقطع راداری (RCS) از طریق پردازش سیگنال، ردیابی و شناسایی ویژگی‌های دیسک است. طبقه بندی باندهای S، C و X از تفاوت در محدوده فرکانس طیف الکترومغناطیسی ناشی می شود. چنین تفاوت هایی مستقیماً عملکرد آنها را در شاخص های اصلی از جمله ویژگی های انتشار، پهنای پرتو، وضوح و قابلیت ضد تداخل شکل می دهد و در نهایت محدودیت توانایی آنها را برای شناسایی انواع مختلف پهپادها مشخص می کند. بر اساس منطق هسته معادله برد رادار، برد تشخیص با توان ارسال و بهره آنتن همبستگی مثبت، با حداقل سیگنال قابل تشخیص همبستگی منفی و متناسب با یک چهارم توان RCS هدف دارد. خواص الکترومغناطیسی باندهای فرکانسی مختلف بر این پارامترهای حیاتی تأثیر می گذارد که منجر به تمایز سطحی قابلیت های شناسایی هدف می شود.

به طور خاص، باند S محدوده فرکانسی 2-4 گیگاهرتز با طول موج های 10-15 سانتی متر را پوشش می دهد که در باند موج متوسط ​​قرار می گیرد. مزیت اصلی آن در افت انتشار کم امواج الکترومغناطیسی در جو نهفته است، با ضریب تضعیف تنها 0.01-0.03 dB/km، که قابلیت نفوذ قوی را ارائه می دهد. باند C در فرکانس‌های 4 تا 8 گیگاهرتز با طول موج‌های 3.75 تا 7.5 سانتی‌متر کار می‌کند، در ناحیه انتقال بین امواج متوسط ​​و کوتاه قرار می‌گیرد و تعادلی بین افت انتشار (0.05-0.1 dB/km) و وضوح ایجاد می‌کند. باند X فرکانس‌های 8 تا 12 گیگاهرتز با طول موج‌های 2.5 تا 3.75 سانتی‌متر را در بر می‌گیرد که به عنوان باند موج کوتاه طبقه‌بندی می‌شود. پهنای پرتو باریک و وضوح برد آن بهتر از 1 متر است، با این حال افت انتشار جوی به طور قابل توجهی (0.1-0.3 dB/km) را متحمل می شود و به مراتب بیشتر مستعد شرایط آب و هوایی مانند باران، برف و مه است. این ویژگی‌های باند متمایز مستقیماً با الزامات اصلی شناسایی پهپاد مطابقت دارد: باند S برای هشدار زودهنگام دوربرد بهینه است، باند C بر شناسایی متعادل برد متوسط ​​تمرکز دارد و باند X در ردیابی برد کوتاه با دقت بالا تخصص دارد. این سه باند با هم یک سیستم قابلیت مکمل طبیعی را تشکیل می دهند.

شایان ذکر است که یک رابطه تعاملی حیاتی بین ویژگی‌های RCS وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) و انتخاب باند موج وجود دارد. داده های عمومی نشان می دهد که RCS میکرو پهپادها می تواند از 0.001 تا 0.005 متر مربع کم باشد، RCS پهپادهای کوچک تقریباً 0.01 تا 0.02 متر مربع است و RCS پهپادهای یکپارچه حمله شناسایی بزرگ حدود 0.1 متر مربع است. برگرفته از معادله برد رادار، هنگامی که RCS هدف از 0.1 متر مربع به 0.01 متر مربع کاهش می یابد، برد تشخیص همان رادار بیش از 40٪ کاهش می یابد. اگر RCS بیشتر به 0.001 متر مربع سقوط کند، محدوده تشخیص بیش از 60٪ کاهش می یابد. این قانون مستقیماً تعیین می‌کند که وضوح بالای باند X برای شناسایی میکرو پهپادهای RCS پایین مناسب‌تر است، در حالی که مزیت تشخیص دوربرد باند S آن را برای قفل کردن بر روی اهداف پهپاد بزرگ مناسب‌تر می‌کند.

2. مزایا، معایب و سناریوهای کاربردی سه رادار عمده باند موج

(I) رادار باند S: "نگهبان در ارتفاع پایین" برای هشدار اولیه در منطقه وسیع

نقاط قوت اصلی رادار باند S در ویژگی های دوگانه آن یعنی تشخیص از راه دور و سازگاری قوی با محیطی است. با بهره مندی از تلفات کم انتشار اتمسفر، می تواند هواپیماهای بدون سرنشین (پهپاد) با RCS 0.1 متر مربع را در برد 15 تا 25 کیلومتری شناسایی کند و برد تشخیص آن برای پهپادهای بزرگ با RCS 1 متر مربع حتی می تواند از 30 کیلومتر نیز فراتر رود. این می تواند به طور موثر مناطق حفاظتی وسیعی مانند خطوط مرزی، حاشیه پایگاه های نظامی، نیروگاه های هسته ای و پارک های صنعتی بزرگ را پوشش دهد و یک پنجره هشدار اولیه 3 تا 8 دقیقه برای سیستم دفاعی فراهم کند که برای پشتیبانی از استقرار و پاسخ تسلیحات رهگیری کافی است. در همین حال، امواج الکترومغناطیسی باند S در مقایسه با امواج باند X از طریق شرایط نامساعد جوی از جمله باران، برف و مه نفوذ بسیار قوی‌تری دارند. تحت بارندگی 20 میلی‌متر در ساعت، محدوده تشخیص آن تنها بین 10 تا 15 درصد کاهش می‌یابد که امکان عملکرد مداوم در تمام شرایط جوی و تمام زمان‌ها را بدون تداخل قابل توجه نور و تغییرات هواشناسی فراهم می‌کند. از نظر شناسایی چند هدف، به لطف حاشیه توان و پهنای باند پردازش سیگنال فراوان، رادار باند S می‌تواند ده‌ها یا حتی صدها هدف هوایی را به طور همزمان ردیابی کند و به آن توانایی اساسی برای مقابله با حملات پهپادهای ازدحام در مقیاس کوچک می‌دهد.

با این حال، معایب آن به همان اندازه برجسته و غیر قابل جایگزین است. اول، وضوح نسبتا پایین است. به دلیل طول موج بلند، عرض پرتو آن معمولاً بین 1 تا 2 درجه متغیر است، که گرفتن دقیق ویژگی‌های هواپیماهای بدون سرنشین کوچک (UAV) را دشوار می‌کند. شناسایی میکرو پهپادها با سطح مقطع راداری (RCS) کمتر از 0.1 متر مربع بسیار دشوار است و مستعد اشتباه گرفتن آنها با اهداف در ارتفاع پایین مانند پرندگان و بالن ها است. دوم، تداخل درهم و برهمی در ارتفاع پایین شدید است. در زمین‌های پیچیده از جمله خوشه‌های ساختمان شهری و مناطق کوهستانی، سیگنال‌های درهم و برهمی که از زمین منعکس می‌شوند، ویژگی‌های فرکانس مشابهی با سیگنال‌های پژواک پهپاد دارند و نرخ هشدار کاذب را بالا می‌برند. حتی الگوریتم‌های پیشرفته‌ای مانند Moving Target Indication (MTI) و Pulse Doppler (PD) نمی‌توانند به طور کامل تداخل درهم‌کاری را فیلتر کنند. سوم، تجهیزات دارای اندازه بزرگ و مصرف انرژی بالا هستند. آنتن یک رادار آرایه فازی معمولی باند S معمولاً مساحتی بین 2 تا 5 متر مربع را پوشش می دهد و چندین تن وزن دارد. استقرار متحرک آن به وسایل نقلیه اختصاصی یا موقعیت‌های ثابت نیاز دارد که نمی‌تواند خواسته‌های دفاع متحرک تاکتیکی خط مقدم را برآورده کند. بنابراین، رادارهای باند S برای هشدار زودهنگام گسترده در موقعیت‌های استراتژیک و عملیاتی ثابت مناسب‌تر هستند و به عنوان «چشم‌های دوربرد» سامانه‌های دفاعی ضد پهپاد عمل می‌کنند.

(II) رادار باند C: یک همه کاره همه کاره با عملکرد متعادل
رادار باند C با عملکرد متعادل به عنوان ویژگی اصلی خود، تعادل بهینه ای را بین برد تشخیص و دقت شناسایی ایجاد می کند و آن را به گزینه اصلی برای سیستم های دفاعی ضد پهپاد کوچک و متوسط ​​تبدیل می کند. این پهپاد می تواند پهپادهای با RCS 0.1 متر مربع را از فاصله 8 تا 15 کیلومتری و پهپادهای میکرو با RCS 0.01 متر مربع را در فاصله تقریباً 4 تا 6 کیلومتری شناسایی کند که سطح عملکردی بین رادارهای باند S و X است. این می تواند الزامات حفاظتی را برای مناطق متوسط ​​مانند پارک های صنعتی، پارک های لجستیک و مکان های رویداد بزرگ برآورده کند و همچنین به عنوان یک جزء پرکننده شکاف با برد متوسط ​​در سیستم های دفاعی در مقیاس بزرگ عمل می کند. در مقایسه با رادار باند S، رادار باند C طول موج کوتاه تری دارد و عرض پرتو آن را می توان به 0.5 تا 1 درجه کاهش داد و وضوح قابل توجهی بهبود یافته را ارائه کرد. این پهپاد می تواند وضعیت پرواز و مسیر پرواز پهپادها را با دقت بالاتری ردیابی کند و به دقت شناسایی بیش از 85 درصد برای پهپادهای کوچک و متوسط ​​دست یابد. در مقایسه با رادار باند X، از تضعیف انتشار اتمسفر کمتری رنج می برد. تحت بارندگی 20 میلی‌متر در ساعت، دامنه تشخیص آن تنها 20 تا 25 درصد کاهش می‌یابد که به آن سازگاری قوی‌تر با آب و هوا و عملکرد شناسایی پایدارتر در میان شرایط آب و هوایی سخت می‌دهد.

محدودیت های باند C عمدتاً در دو جنبه منعکس می شود. اولاً، فشاری در فیلتر کردن به هم ریختگی در ارتفاع پایین وجود دارد. اگرچه از باند S بهتر عمل می کند، سیگنال های درهم و برهمی همچنان می توانند دقت شناسایی را در محیط های پیچیده مانند خوشه های ساختمانی متراکم و مناطق با درختان زیاد مختل کنند. فناوری‌های همجوشی چند سنسوری مانند یکپارچه‌سازی رادار-الکترواپتیکال و یکپارچه‌سازی رادار-آکوستیک برای کاهش نرخ هشدار کاذب مورد نیاز هستند. دوم، قابلیت ضد تداخل الکترومغناطیسی آن متوسط ​​است. از آنجایی که باند C یک باند فرکانسی رایج برای ارتباطات ماهواره‌ای و هوانوردی غیرنظامی است، در معرض تداخل سیگنال‌های الکترومغناطیسی شهری است. در محیط‌های متقابل الکترومغناطیسی شدید، سیگنال‌های آن در برابر سرکوب یا فریب آسیب‌پذیر هستند و شناسایی پایدار اهداف پهپاد را تضعیف می‌کنند. علاوه بر این، رادارهای باند C دارای اندازه و سطح مصرف انرژی بین رادارهای باند S و باند X هستند که امکان استقرار متحرک سوار بر خودرو را فراهم می کند. با این وجود، در مقایسه با رادارهای باند X قابل حمل، تحرک و انعطاف کافی ندارند. به طور کلی، عملکرد متعادل رادارهای باند C گسترده ترین سازگاری را ارائه می دهد. آنها می توانند به طور مستقل سیستم های دفاعی ضد پهپاد کوچک و متوسط ​​بسازند و همچنین می توانند در شبکه های دفاعی بزرگ برای دستیابی به مکمل هماهنگی ادغام شوند.

(III) رادارهای باند ایکس: "شکارچیان برد کوتاه" برای شناسایی دقیق

رادارهای باند X با بهره گیری از ویژگی های طول موج کوتاه، به عنوان راه حل اصلی برای شناسایی دقیق هواپیماهای بدون سرنشین و هدایت رهگیری کوتاه برد، با نقاط قوت اصلی آنها در پیشرفت های دوگانه با وضوح بالا و عملکرد قوی ضد بهم ریختگی قرار دارند. به لطف طول موج بسیار کوتاه آنها، پهنای پرتو آنها را می توان به 0.1-0.5 درجه باریک کرد و وضوح برد آنها می تواند تا 0.5 متر برسد. آن‌ها می‌توانند به وضوح ویژگی‌های دقیق پهپادهای کوچک مانند پروفایل‌های شکل و تعداد روتور را تشخیص دهند، و حتی می‌توانند پهپادهای کوچک را با RCS تنها 0.01 متر مربع در فاصله 3 کیلومتری شناسایی کنند. آنها کارایی شناسایی استثنایی در برابر اهداف کم، آهسته و کوچک از جمله هواپیماهای بدون سرنشین انتحاری FPV و مهمات سرگردان از خود نشان می دهند. مهمتر از آن، رادارهای باند ایکس می توانند امضاهای فرکانس میکرو داپلر تولید شده توسط روتورهای چرخان پهپاد را استخراج کنند تا به طور دقیق پهپادهای معلق در هوا را از اجسام مزاحم مانند به هم ریختگی زمین و پرندگان تشخیص دهند. به عنوان مثال، رادار XENTA-C دانمارک با شناسایی سیگنال‌های میکرو داپلر روتور، به دقت شناسایی بیش از 95 درصد برای پهپادهای معلق در هوا دست می‌یابد، و به طور موثر به نقطه درد اصلی شناسایی اهداف کوچک در ارتفاع پایین می‌پردازد.

بزرگترین نقطه ضعف آن در برد تشخیص کوتاه آن است که به طور قابل توجهی تحت تأثیر تلفات انتشار جوی و شرایط آب و هوایی قرار دارد: برد تشخیص آن برای پهپادهای با RCS 0.1 متر مربع تنها 6 تا 10 کیلومتر است، در حالی که برد تشخیص برای پهپادهای میکرو با RCS 0.01 متر مربع حفاظتی کمتر از 3 کیلومتر است. نواحی اصلی تاسیسات حیاتی و مکان های برگزاری رویدادهای بزرگ. در شرایط آب و هوایی شدید، کاهش عملکرد رادار باند X برجسته تر است. هنگامی که میزان بارندگی به 20 میلی متر در ساعت می رسد، دامنه تشخیص می تواند 40٪ تا 50٪ کاهش یابد و حتی ممکن است در هوای مه آلود بیش از 60٪ کاهش یابد. در همین حال، مستعد تداخل الکترومغناطیسی است و پایداری عملیاتی آن در محیط های پیچیده الکترومغناطیسی به فناوری های ضد تداخل مانند پرش فرکانس و طیف گسترده متکی است. با این وجود، رادارهای باند X دارای مزایای قابل توجهی در حجم و مصرف انرژی هستند. اندازه آنتن رادارهای مینیاتوری باند X را می توان به کمتر از 0.5 متر مربع با وزن کمتر از 100 کیلوگرم کاهش داد و حتی می توان آنها را به صورت قابل حمل برای پاسخگویی به نیازهای دفاعی در سطح تاکتیکی برای جوخه های خط مقدم و برنامه های تلفن همراه سوار بر خودرو مستقر کرد. بر این اساس، رادارهای باند X برای شناسایی دقیق و هدایت رهگیری تاکتیکی با برد کوتاه کاربرد بیشتری دارند و به عنوان "آخرین خط دفاع" در سیستم های دفاعی ضد پهپاد عمل می کنند.