¿Cuál es la importancia de la sección transversal del radar (RCS) para la defensa aérea?

A través de Internet o de cualquier otro medio de información, me enteré de que algunos aviones furtivos de última generación tienen secciones transversales de radar de un pájaro (o algo similarmente pequeño).

No tengo el conocimiento técnico profundo de cómo funcionan los radares modernos, la vigilancia aérea y los sistemas de detección (obviamente). Pero a juzgar por lo que se requiere que sean, aquí está mi consulta concluyente:

Si desea detectar un avión enemigo (ya sea utilizando un sistema de monitoreo centralizado o en un misil antiaéreo), desea la detección en la ubicación del eje cartesiano 3D (x, y, z) del mismo. Si eso es posible, y una aeronave con un tamaño de ave de RCS, se ve como un ave o un objeto pequeño en el radar, aún un objeto pequeño a alturas de 30 000 a 40 000 pies moviéndose a una velocidad cercana a Mach 1 o números de Mach más altos, ¿No sería eso algo muy obviamente alarmante?

Tengo que amar el Principio de incertidumbre de Heisenberg. Los radares son un ejemplo perfecto de cómo esto entra en juego. Los radares no pueden ver perfectamente tanto la ubicación como la velocidad. Cuanto más precisos son en uno, menos precisos son en el otro. Un RCS más pequeño complica dramáticamente esto.
@DavidS Err, ¿qué? Como hiciste eso? Una velocidad de barrido lenta afectará a ambos; ¿Un barrido más rápido seguramente hará que ambas lecturas sean más precisas?
@MikeBrockington Es un acto de equilibrio entre varias cosas. Demasiado rápido de barrido y perderá precisión en las lecturas de velocidad. Piensa en un solo pulso. Un solo ping. Ideal para la distancia y la ubicación. Pero ese segundo ping es necesario para actualizar la ubicación u obtener velocidad.
@DavidS Creo que los sistemas modernos deben tener sistemas redundantes pero optimizados para compensar estas dificultades.
@DavidS - ¿Por qué no crees que los radares no pueden "ver perfectamente tanto la ubicación como la velocidad"? Los radares de pulso doppler de hoy en día pueden hacer ambas cosas, y en un solo pulso si la SNR es lo suficientemente buena.
@SteveSh Un solo pulso de longitud de onda de radar tiene muchas dificultades para obtener la velocidad de un objetivo, como admite que SNR es lo suficientemente bueno. Los sistemas modernos tienen redundancias y métodos para compensar esto. No discuto un sistema de radar moderno para ver la velocidad y la ubicación de un objetivo simultáneamente. No pude distinguir apropiadamente entre el sistema de radar y la señal de radar. Sin embargo, el principio de incertidumbre es en gran medida un factor en la tecnología de radar. Recibí un documento tan reciente como 2019 que intenta abordarlo: arxiv.org/pdf/1901.07994.pdf
¿Quién dijo que era un pulso de una sola longitud de onda? A 8 GHz, un pulso de 10 microsegundos tiene 80 000 ciclos de RF en el pulso.

Respuestas (5)

Se trata de la distancia de detección .

Coge un coche y una lata de cerveza. Estás a 10 millas de distancia, en una llanura abierta. A partir de ahí, tampoco se puede ver. Acérquese... 5 millas. Todavía no puedo ver tampoco.

A 3 millas, puedes ver el auto, pero no la lata de cerveza. Entonces allí, puedes disparar o evitar el auto.

No puedes ver la lata de cerveza hasta que estés a 100 metros de distancia. Pero la lata de cerveza es en realidad del mismo tamaño físico que el automóvil, e igual de mortal.

Una firma de radar más pequeña me da tiempo para acercarme, sin ser detectado.

Para llevar esto al mundo real, B-52 y B-2. La firma de radar del B-52 es de tamaño B-52. El B-2, tamaño pájaro. Mucho mucho más pequeño.

Así que... Tienes sitios de radar alrededor de tu frontera. Un B-52 está volando hacia ti. Puedes detectarlo a 500 millas de distancia.

Revuelva sus interceptores. Lo encuentran a 200 millas y lo convencen de que se vaya o lo derriban.

El B-2, sin embargo... es posible que no lo detectes hasta que esté a solo 5 millas de distancia.

Para cuando revuelves a tus interceptores y lo encuentran, él ya está dentro de tu perímetro, haciendo cosas indescriptibles en tu campo.

Distancia de detección .

"Pero la lata de cerveza es en realidad del mismo tamaño físico que el auto..." -- No estoy seguro de lo que quieres decir aquí. Mis latas de cerveza son mucho más pequeñas que mi coche. ¿Puedes elaborar?
@WayneConrad: Tal vez un oso. Un oso entero en una lata grande.
@Wayne Conrad: es por eso que edité en la comparación B-52/B-2. Mayormente del mismo tamaño físico, firmas de radar muy diferentes.
@WayneConrad, ¿qué tal: "pero, SORPRESA, la lata de cerveza resulta ser del mismo tamaño que el automóvil, a pesar de cómo se ve"?
Un poco sobre la analogía de la lata de cerveza/coche. Esto es válido suponiendo que ambos tengan la misma reflectividad. Pero, ¿y si no lo hacen? Supongamos que están en el desierto. Si el auto está pintado con camuflaje del desierto, mientras que la lata de cerveza tiene un acabado similar a un espejo, es posible que puedas detectar la lata de cerveza a una distancia mayor que el auto. De esto se trata RCS: minimizar los retornos (reflejos) hacia el sitio del radar. Y el tamaño del objeto es solo una parte de eso.
@SteveSh, puede llevar la analogía más lejos: su lata brillante solo ayuda si capta la luz del sol, o si mira directamente hacia usted y lo enciende en la oscuridad (esto último es básicamente lo mismo que el radar, por supuesto)
@SteveSh ese tipo de cosas es lo que se mide por "sección transversal". Si el automóvil es tan fácil de ver como una lata de cerveza, entonces tiene "la sección transversal de una lata de cerveza". No importa si lo lograste con pintura especial, geometría especial o una capa de invisibilidad ligeramente rasgada.
Mi problema es con "el mismo tamaño físico", que no es una lata de cerveza. En todas las dimensiones, una lata de cerveza es un orden de magnitud diferente en tamaño que un automóvil. No puedo pasar de esta oración que me parece claramente incorrecta. ¿Quiso decir algún otro adjetivo además de "físicamente"?
@WayneConrad: en lugar de automóvil + lata de cerveza, considere camionetas pickup 2x, con un .50 CAL montado en la caja. Rociamos un poco de polvo mágico sobre uno de ellos, conocido como Stealth Paint, y luego aparece a simple vista como del tamaño de una lata de cerveza. El arma sigue siendo igual de mortal. Pero estás dentro del alcance de su arma, mucho antes de que puedas verlo.
@WPNSGuy Esa es una muy buena analogía
Sí, estoy confundido acerca de la analogía del automóvil y la lata de cerveza, pero el quid de la respuesta tal como lo entiendo es que: RCS solo es información inútil. Lo que es un conocimiento crucial es el RCS a una distancia particular del RADAR en condiciones atmosféricas estándar y en el peor de los casos y, por supuesto, eso tiene que ser información súper clasificada.

Además del problema de si puedes verlo lo suficientemente lejos como para tener tiempo de hacer algo al respecto, también tienes el problema de que si construyes un radar capaz de detectar objetos del tamaño de un pájaro a 100 millas, entonces llegas a vea cada objeto del tamaño de un pájaro dentro de 100 millas de usted en la pantalla de su radar. ¡ Y hay muchos pájaros en el mundo!

Cada vez que el radar hace un barrido, obtienes millones de puntos, y luego vuelve a hacer un barrido unos segundos más tarde, y obtienes millones de puntos nuevamente en diferentes lugares, y tienes que averiguar qué pares de puntos son del mismo objeto, moviéndose en alguna dirección desconocida, y que son diferentes. Una y otra vez, con cada barrido. Unir los puntos es bastante fácil si solo tiene una docena de puntos grandes y gruesos en la pantalla y están bien espaciados. Cuanto más sensible haga el radar, más puntos habrá, más juntos estarán y más difícil será saber si son lo mismo. Un avión que se mueve a 330 m/s podría estar a media milla de distancia cuando el haz del radar vuelva a barrer. Cuántos pájaros, reflejos de las olas del océano en movimiento o ramas de los árboles que se agitan, resplandecen en edificios, montañas, acantilados, etc.

Cuanto más sensible se vea obligado a hacer su radar, más difícil será procesar todos los millones de objetos diminutos que ahora puede ver y asegurarse de que ninguno de ellos sea una amenaza inminente. Y cuanto más fiable tengas para hacer tu tramitación. Si tiene cien pistas de radar y una tasa de error del 0,01 % por barrido en cada pista (el 99,99 % correcto suena bastante bien, ¿verdad?), obtendría una falsa alarma cada dos minutos. ¡Si tiene diez mil pistas de radar, recibiría 100 falsas alarmas cada dos minutos!

Hacer que el radar sea lo suficientemente sensible como para que pueda ver pájaros a muy larga distancia hace que el trabajo del radar sea mucho, mucho más difícil.

Bueno, esto solo se aplica cuando el desplazamiento Doppler de la señal reflejada está en el rango que obtendrías del ave, que es a veces, pero no siempre. Lo mismo para la altitud, creo.
@EugeneRyabtsev, pero el radar Doppler tiene sus propias desventajas: debe detenerse en un área del cielo durante más tiempo y obtener la frecuencia de cada señal reflejada aún no es fácil cuando están muy juntas. El efecto Doppler puede ser pequeño, incluso cero si el objetivo se mueve tangencialmente
"Hacer que el radar sea lo suficientemente sensible como para que pueda ver pájaros a muy larga distancia hace que el trabajo del radar sea mucho, mucho más difícil". No, eso no es del todo cierto. Existen técnicas de filtrado y procesamiento de señales que se pueden utilizar para eliminar los retornos de miles de aves, sin reducir la sensibilidad del sistema de radar. No puedo pensar en ningún radar militar que comprometa deliberadamente la sensibilidad, excepto en situaciones muy específicas.
El procesamiento de señales de @SteveSh es excelente, pero esta respuesta ya señala que es más difícil que no tener que hacerlo en absoluto.
@MikeBrockington Esto da una noción bastante antigua de cómo funciona un radar militar. Si solo se tratara de conectar los puntos, ECM sería mucho más efectivo.
@EugeneRyabtsev: Los radares modernos son de hecho más complejos, pero su problema con ECM permanece. Es fácil crear miles de señales falsas con la misma cantidad de energía que el reflejo de tu bombardero furtivo. No puede asumir que las señales falsas son todas naturales y convenientemente distinguibles; algunas de las señales falsas son intencionales
Mike Brockington: en el mundo de hoy, eso suena como un punto de vista bastante artificial, artificial y no muy relevante. A menos que esté construyendo un simple radar de aficionado con latas de sopa como antenas.
@MSalters Al combinar la entrada de diferentes radares con diferentes frecuencias operativas más el filtrado de la velocidad y la persistencia de la pista y la firma del radar pasivo (todo hecho automáticamente), no es tan difícil eliminar las señales falsas.

La antena de un radar envía una señal de radio que se refleja en el objetivo. Ese reflejo, el "retorno del radar", es recibido por la antena del radar. El radar tiene una cierta cantidad mínima de energía que debe recibir antes de que pueda registrar el retorno. No se registrarán las devoluciones que lleven muy poca energía. No aparecerán en el alcance.

Eso significa que hay un par de formas de evitar que su avión aparezca en el radar. Una es que puedes estar demasiado lejos. A medida que un avión se aleja, recibe menos energía de radar para ser reflejada de regreso al radar. Y, menos de ese retorno es recibido por la antena del radar. La señal del radar se atenúa dos veces por la ley del inverso del cuadrado, por lo que la energía del retorno del radar es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia. Si mi avión se aleja lo suficiente, el radar no lo ve.

Otra forma de evitar que el avión aparezca en el radar es tener una sección transversal de radar más baja. Cuanto menor sea la sección transversal del radar, menos señal reflejará el avión.

Si puedo hacer que la sección transversal del radar de mi avión sea muy pequeña, entonces puedo acercarme mucho más al radar antes de que me vean que si la sección transversal del radar fuera grande.

Incluso si dos objetos, digamos un pájaro y un avión, tienen el mismo RCS y, por lo tanto, pueden detectarse a distancias similares, hay formas de distinguirlos por la forma en que interactúan o reflejan la señal del radar de vuelta al radar. receptor.

Los radares modernos no solo pueden distinguir entre un pájaro y un avión, sino que, en muchos casos, pueden distinguir entre tipos de aviones.

Afortunadamente, pueden distinguir entre un pájaro y un avión, pero ¿podrán identificar a Superman?
¡Sí! Por el aleteo de su capa ;-).
Una razón más por la que las capas son un grave problema de seguridad. ¡Sin capas!
Espero que los radares modernos tengan la opción de filtrar el regreso de Superman, porque aparte de la novedad de ver a Superman, no hay nada que puedas hacer al respecto. A menos que tengas Kryptonita.

Tu pregunta es válida y tienes razón al sospechar que en muchas situaciones tener un RCS reducido no es útil. Hablando como alguien con experiencia en la investigación de radares militares, puedo describir algunos de los factores básicos:

(1) Tener un RCS reducido simplemente aumenta la posibilidad de que una aeronave pase desapercibida y no elimina la posibilidad de detección.

(2) La reducción de RCS es muy eficaz contra las aeronaves interceptoras porque dichas aeronaves tienen radares débiles que operan de frente. Esto dificulta que los interceptores encuentren su bombardero o lo apunten con misiles aire-aire.

(3) La reducción de RCS es efectiva contra radares terrestres débiles y reduce el alcance en el que pueden detectar al bombardero. Esto hace que sea mucho más fácil para un bombardero penetrar las fronteras de un país sin ser notado.

(4) Si el bombardero está operando en un área limitada que tiene defensas aéreas o en un área donde el enemigo espera que pase el bombardero, entonces el RCS reducido es más o menos inútil. Vimos los efectos de esto en el derribo del F-117 de 1999 .

¡Ese es un incidente interesante y un artículo informativo! Pero, ¿cómo se puede concluir que RCS es inútil aquí? La wiki no comparte ninguna información sobre con qué precisión pudieron señalar el avión y sacarlo. ¿Hay incidentes similares que involucren aviones furtivos modernos de cuarta o quinta generación?
@lousycoder En esa situación el RCS bajado fue inútil porque los serbios sabían el camino que tomaría el bombardero y también sabían aproximadamente cuándo llegaría porque tenían espías en Aviano que lo vieron despegar. Entonces, cuando el avión llegó a la zona de defensa designada, simplemente encendieron su radar y lo derribaron. El hecho de que tuviera un RCS reducido no importaba porque una vez que está lo suficientemente cerca del radar, aún puede detectarse.
¿Cuál es la importancia de la sección transversal del radar (RCS) para la defensa aérea?
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