Фотонные радары, радиофотоника и стелс-технологии

Мало какое инет-издание не написало о статье китайских СМИ про российский радар и его способность «превратить в мусор американскую технику»: «Фотонный радар на истребителе Су-57 превращает американский истребитель F-35 в очень дорогую воздушную мишень».  

На самом деле статья неоднозначная

С напускной грустью, китайский журналист пишет  в ней о том, что «к сожалению, военные проекты России за последние 20 лет, за исключением атомных подводных лодок и ядерных ракет, идут очень плохо: танки Т-90, новые военные корабли постоянно откладываются, что хуже всего, как и новая эра России» .   

Упоминет о том, что «истребитель Су-57 стоил миллиарды долларов, и 20 лет исследований и разработок потерпели неудачу. У российского правительства не было иного выбора, кроме как отвлечь свое внимание и перенести первоначально заказанные заказы Су-57 на Су-35, что составляет половину цены».  И, наконец, радует информацией о «луче света —  микроволновом фотонном радаре».  

После перечислений достоинств радара следует вывод: «Если русские смогут воспользоваться этой возможностью, истребитель Су-57 может действительно превратить поражение в победу!» «Особенность этого типа радаров заключается в том, что он компактный, легкий и имеет большой радиус действия. Он может напрямую отображать силуэт самолета с разрешением в несколько десятков раз выше, чем у обычного радара, вес и объемы нового радара примерно в два раза меньше, чем у нынешних,», – рассказывает  автор статьи.  

Оставим мнение о «победах» и «поражениях»  на совести китайского автора и поговорим о фотонном радаре.

РОФАР

Проект РОФАР (радиоптические фазированные антенные решетки) был начат в феврале 2015 года, а заканчивается в июле 2019 года.  «Концерн Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Госкорпорации Ростех ведет разработку технологии радиофотоники не имеющей аналогов в мире.  

Анонсировалось, что новая технология позволит снизить массу радиоэлектронного оборудования боевых кораблей в 5-7 раз), радар нового поколения сможет делать «рентгеновские снимки» самолетов, находящихся на удалении более 500 км, а радиооптические фазированные антенные решетки значительно расширят возможности современных средств связи и радаров — их масса снизится более чем вдвое, а разрешающая способность увеличится в десятки раз.  

«РОФАР позволит нам увидеть самолет, находящийся в 500 км, так, словно мы стоим в 50 метрах от него на аэродроме, его портрет в видеодиапазоне. Более того, если нужно, эта технология позволит заглянуть и в сам самолет, узнать, какие люди и техника в нем находятся, поскольку сигнал может пройти любые препятствия, даже метровые свинцовые стены, благодаря использованию широкого диапазона частот, проникающих на различную глубину внутрь объекта»  

КРЭТ писал о том, что радиооптические фазированные антенные решетки значительно расширят возможности современных средств связи и радаров – их разрешающая способность увеличится в десятки раз. Если у современного локатора частота излучения 10 ГГц, 3 см с шириной спектра 1-2 ГГц, то у РОФАР эта частота может составлять от 1 Гц до 100 ГГц одновременно. На практике это означает, что РОФАР может давать детализированное, объемное изображение того, что происходит на расстоянии сотен километров от него. К примеру, на дальности 400 км можно не просто увидеть человека, но даже узнать его лицо.  

«В отличии от традиционных РЛС заглушить РОФАР традиционными средствами РЭБ не получится физически. Динамический диапазон фотонного кристалла — это примерно 200 Дб. Современный радиоэлектронный приемник, для сравнения, имеет диапазон 40 — 60 Дб, а мы современными комплексами РЭБ обеспечиваем подачу сигнала на вход радиоприемного устройства – в 70-80 Дб относительно его пороговой чувствительности. Таким образом, устройство, которое должно принимать сигнал выводиться из работоспособного состояния. Даже после снятия помехи у него внутри еще идут процессы, которые не дают ему работать. Но на Земле просто нет источника энергии для подачи сигнала мощностью, превышающей 200 Дб, поэтому эта логика в случае с РОФАР просто не работает. Его можно запутать так называемым интеллектуальным противодействием, но это уже совсем другая история.»  

«Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля оптической частоты — фотоны. Радиофотоника является составной частью нанофотоники, изучающей направленное взаимодействие оптических волн с наноструктурами, в то время как радиофотоника изучает направленное взаимодействие оптических волн, промодулированных радиочастотой в специализированных наноструктурах и позволяет создавать радиочастотные устройства с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники, благодаря тому, что фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы покоя и заряда, что дает потенциально сверхвысокое быстродействие и уникальную помехоустойчивость».  

Принцип работы фотонного радара

По западной терминологии «квантовый радар» (quantum radar)  — его принцип работы основывается на особенностях фотонов как квантовых частиц. Сигнал, излучаемый таким радаром очень помехоустойчивый. 

Идея заключается в использовании для обнаружения цели и получения ее изображения фотонов, имеющих определенную поляризацию. Цель освещается потоком специально поляризованного света, а отраженные от цели фотоны позволяют составить изображение цели. Но противник может перехватить фотоны, изменить их и отправить назад эти фотоны, которые исказят для радара форму цели и ее местоположение. Такой процесс приведет к изменению квантовых свойств фотонов, в частности, их поляризацию. Определив поляризацию отраженных фотонов можно не только зарегистрировать сам факт постороннего вмешательства, но и полностью избавиться от него, «выбросив» фотоны с неправильной поляризацией.

Разработанная технология базируется на квантовых свойствах фотонов света, в частности на факте, что любая попытка воздействия на фотон приведет к разрушению его квантовых свойств.

Противодействие сигналам радаров является достаточно сложным делом. Для этого существует несколько различных методов, таких как, подавление полезного сигнала шумом на частоте работы радара или сброс ложных целей, создающих ложные отражения. Но современные радарные системы, вооруженные компьютерами и процессорами обработки сигналов, легко справляются с таким противодействием, поэтому подразделениям радиоэлектронной борьбы приходится применять все более и более сложные методы. Одним из таких сложных методов является перехват сигнала радара и его изменение таким образом, который дает ложную информацию о самой цели и ее местоположении. И с таким методом противодействия бороться намного труднее.

Стелс-технологии

Если осветить поляризованным светом самолет и проверить измерения количества отраженных фотонов, имеющих ошибочную поляризацию, то данных от фотонов, имеющих правильную поляризацию, будет вполне достаточно для того, что бы составить четкое и узнаваемое изображение самолета. Исследователи обнаружили, что природа фотонов позволяет справиться даже с самыми продвинутыми стелс-технологиями. Если стелс-самолет попытается перехватить поток фотонов или исказить свое местонахождение каким-либо образом, то тем самым выдаст себя с головой, изменив свойства фотонов.  

Используемый в работе системы принцип похож на тот, что лежит в основе квантовых криптографических систем с разделенной передачей ключа: любая попытка вклиниться в передачу ключа влияет на его квантовые характеристики и сразу выдает присутствие интервента. 

Простыми словами

В работе используется непрерывный стабилизированный лазер, амплитудные модуляторы и узкополосные оптические фильтры для преобразования радиолокационного сигнала в диапазон низких частот. Оптическая несущая и одна из боковых полос могут быть подавлены с помощью оптических полосовых фильтров на основе, например, микрорезонаторов или волоконных брегговских решеток.  

Часть лазерного луча модулируется по амплитуде несущим СВЧ сигналом и также фильтруется для подавления оптической несущей и одной из боковых полос. После этого оптические сигналы, содержащие принимаемый сигнал и сигнал СВЧ несущей, могут быть смешаны на фотоприемнике и оцифрованы медленным электронным АЦП.  

Для современных оптических элементов отношение сигнал/шум на выходе преобразователя может достигать 60-70 дб и более для СВЧ сигнала с несущей в десятки гигагерц и полосой 100 МГц и выше.

Работа радиофотонного приемного канала с оптическим гетеродинированием может быть использованы в исследованной схеме для ее применения в качестве универсального приемного канала, обеспечивающего ширину полосы до 100 МГЦ (длительность сигналов до 10 нс) с частотой несущей в десятки ГГц при отношении сигнал/шум, равном 60-70 дб (10-11 эффективных бит оцифрованного сигнала). Перспективным может быть также применение режима подавления несущей оптической частоты в модуляторах приемного канала. В этом случае в несколько раз повышается отношение сигнал/шум, а также не требуется использовать узкополосные оптические фильтры в схеме.

Радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами.

Основные преимущества радиофотонных устройств:

• Сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0.2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц).
• Сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше).
• Низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения (к фазе и фазовым шумам оптической несущей).
• Высокая фазовая стабильность оптического волокна.
• Невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи.
• Гальваническая развязка фотонных схем.
• Малая масса и размеры оптического волокна.
• Механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).  

Родом из СССР

Из книги Радиооптические антенные решетки / Воскресенский, Д. И.; Гринев, А.Ю. ; Воронин, Е.Н., Москва : Радио и связь, 1986 :

«Описаны методы формирования пространственных характеристик направленности приемных антенных решеток (АР) произвольной формы с использованием средств когерентной оптики и голографии. Рассмотрены когерентные оптические процессоры АР. обладающие различными функциональными возможностями, приведены результаты экспериментальных исследований. Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области оптической обработки информации, антенной техники, радио- и гидролокации».

От автора

Так как исследования и разработки по радиофотонным технологиям проводят и США, и ЕС, и Япония, и Южная Корея и Китай стоит смотреть шире и помнить, что использование систем радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) в перспективе даст возможность построения сети уникальных синхронизированных космических и наземных радиотелескопов, а также покрыть фюзеляж самолетов и вертолетов «умной» обшивкой нового типа.  

Фотоника может также эффективно применятся в ЖКХ, например, в городских и поселковых системах теплоснабжения, где вместо горячей воды энергоносителями будут выступать фотоны, распространяющиеся в фотоннокристаллических волокнах толщиной с человеческий волос почти без потерь, энергия которых будет преобразовываться в тепло с почти 100% КПД в устройствах, вмонтированные в квартирные радиаторы.

Также радиофотоника может совершить революцию в метеорологии, качественно улучшив точность прогнозирования погоды на Земле. Поэтому радиофотоника призвана стать новой цивилизационной ступенью развития всего человечества.

/Макс Босерман, naukatehnika.com/