[การวิเคราะห์พิเศษ] การวิจัยเกี่ยวกับความสามารถในการรับรู้ของเรดาร์เรดาร์กระแสหลักสามรายการ รวมถึงแบนด์ S, C และ X ในระบบต่อต้าน UAV

การใช้งานยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) อย่างกว้างขวางกำลังปรับโฉมภูมิทัศน์การป้องกันการรุกในการป้องกันความปลอดภัยระดับความสูงต่ำและการเผชิญหน้าในสนามรบสมัยใหม่ ตั้งแต่การลาดตระเวนทางยุทธวิธีขนาดเล็กและการโจมตีแบบกามิกาเซ่ไปจนถึงการโจมตีแบบฝูงและการโจมตีระยะไกลในระดับยุทธศาสตร์ UAV ได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการเปลี่ยนแปลงพลวัตของสนามรบ ในฐานะ "แนวป้องกันแนวแรก" ในระบบต่อต้าน UAV การเลือกแบนด์ของเรดาร์จะกำหนดประสิทธิภาพการระบุเป้าหมายของ UAV โดยตรงและความเร็วการตอบสนองของห่วงโซ่การป้องกัน แถบเรดาร์กระแสหลักสามแถบ ได้แก่ S, C และ X มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกันตามลำดับ ครอบคลุมสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันและเกณฑ์ขีดความสามารถสำหรับการตรวจจับ UAV ไม่ว่าจะต้องจัดการกับ UAV โจมตีลาดตระเวนแบบบูรณาการขนาดใหญ่หรือโดรนระดับผู้บริโภคขนาดเล็ก ปฏิบัติการในสภาพแวดล้อมการตอบโต้ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนหรือสภาวะอุตุนิยมวิทยาที่รุนแรง การปรับตัวทางเทคนิค คุณสมบัติทางยุทธวิธี และข้อเสียเปรียบในการปฏิบัติงานจริงของเรดาร์ในย่านความถี่ต่างๆ จะส่งผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อตรรกะการก่อสร้างและกลยุทธ์การจัดสรรทรัพยากรของระบบป้องกันต่อต้าน UAV

1.ลักษณะและความแตกต่างของเรดาร์ S, C และ X Band

การระบุยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) ด้วยเรดาร์นั้นเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นความถี่เฉพาะ การรับสัญญาณสะท้อนที่สะท้อนจากเป้าหมาย การแยกพารามิเตอร์คุณลักษณะหลัก เช่น ช่วงเป้าหมาย ความเร็ว ทัศนคติ และส่วนตัดขวางของเรดาร์ (RCS) ผ่านการประมวลผลสัญญาณ และด้วยเหตุนี้จึงทำให้การตรวจจับเป้าหมาย การติดตามวิถี และการแบ่งแยกคุณลักษณะเสร็จสิ้น การจำแนกประเภทของแถบ S, C และ X เกิดจากความแตกต่างในช่วงความถี่ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ความแตกต่างดังกล่าวกำหนดประสิทธิภาพโดยตรงในตัวบ่งชี้หลัก รวมถึงลักษณะการแพร่กระจาย ความกว้างของลำคลื่น ความละเอียด และความสามารถในการป้องกันการรบกวน และท้ายที่สุดจะกำหนดขีดจำกัดของความสามารถในการระบุ UAV ประเภทต่างๆ ตามตรรกะหลักของสมการช่วงเรดาร์ ระยะการตรวจจับมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับกำลังส่งและอัตราขยายของเสาอากาศ มีความสัมพันธ์เชิงลบกับสัญญาณขั้นต่ำที่ตรวจจับได้ และเป็นสัดส่วนกับกำลังหนึ่งในสี่ของ RCS เป้าหมาย คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของย่านความถี่ที่แตกต่างกันส่งผลกระทบต่อพารามิเตอร์ที่สำคัญเหล่านี้ ส่งผลให้ความสามารถในการระบุเป้าหมายมีความแตกต่างกันเป็นลำดับชั้น

โดยเฉพาะ S-band ครอบคลุมช่วงความถี่ 2–4 GHz ที่มีความยาวคลื่น 10–15 เซนติเมตร ซึ่งตกอยู่ภายในแถบคลื่นกลาง ข้อได้เปรียบหลักอยู่ที่การสูญเสียการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศต่ำ โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนเพียง 0.01–0.03 เดซิเบล/กม. ทำให้มีความสามารถในการเจาะทะลุที่แข็งแกร่ง C-band ทำงานที่ความถี่ 4–8 GHz โดยมีความยาวคลื่น 3.75–7.5 เซนติเมตร อยู่ในโซนเปลี่ยนผ่านระหว่างคลื่นกลางและคลื่นสั้น สร้างความสมดุลระหว่างการสูญเสียการแพร่กระจาย (0.05–0.1 dB/km) และความละเอียด เอ็กซ์แบนด์ครอบคลุมความถี่ 8–12 GHz โดยมีความยาวคลื่น 2.5–3.75 เซนติเมตร ซึ่งจัดเป็นแถบคลื่นสั้น มีความกว้างของลำคลื่นแคบและความละเอียดของระยะได้ดีกว่า 1 เมตร แต่ยังทนต่อการสูญเสียการแพร่กระจายของชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด (0.1–0.3 เดซิเบล/กม.) และไวต่อสภาพอากาศ เช่น ฝน หิมะ และหมอก มากกว่ามาก คุณลักษณะของแถบความถี่ที่แตกต่างกันเหล่านี้ตรงตามความต้องการหลักของการตรวจจับด้วยโดรน: S-band เหมาะสมที่สุดสำหรับการเตือนล่วงหน้าในระยะไกล C-band มุ่งเน้นไปที่การระบุช่วงกลางที่สมดุล และ X-band เชี่ยวชาญในการติดตามระยะสั้นที่มีความแม่นยำสูง เมื่อรวมกันแล้ว ทั้งสามแบนด์จะสร้างระบบความสามารถเสริมตามธรรมชาติ

เป็นที่น่าสังเกตว่ามีความสัมพันธ์เชิงโต้ตอบที่สำคัญระหว่างคุณลักษณะ RCS ของยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) และการเลือกคลื่นความถี่ ข้อมูลสาธารณะแสดงให้เห็นว่า RCS ของ UAV ขนาดเล็กสามารถมีขนาดต่ำได้ถึง 0.001 ถึง 0.005 ตารางเมตร RCS ของ UAV ขนาดเล็กอยู่ที่ประมาณ 0.01 ถึง 0.02 ตารางเมตร และ RCS ของ UAV แบบบูรณาการการโจมตีลาดตระเวนขนาดใหญ่อยู่ที่ประมาณ 0.1 ตารางเมตร จากสมการระยะเรดาร์ เมื่อ RCS ของเป้าหมายลดลงจาก 0.1 ตารางเมตร เหลือ 0.01 ตารางเมตร ระยะการตรวจจับของเรดาร์เดียวกันจะลดลงมากกว่า 40% หาก RCS ลดลงเหลือ 0.001 ตารางเมตร ระยะการตรวจจับจะลดลงมากกว่า 60% กฎนี้กำหนดโดยตรงว่าความละเอียดสูงของ X-band เหมาะสมกว่าสำหรับการระบุ RCS micro-UAV ต่ำ ในขณะที่ข้อได้เปรียบในการตรวจจับระยะไกลของ S-band ทำให้เหมาะสำหรับการล็อคเป้าหมาย UAV ขนาดใหญ่มากกว่า

2.ข้อดี ข้อเสีย และสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องของเรดาร์คลื่นความถี่หลัก 3 ชนิด

(I) เรดาร์ S-band: "ผู้เฝ้าระวังระดับความสูงต่ำ" สำหรับการเตือนล่วงหน้าในพื้นที่กว้าง

จุดแข็งหลักของเรดาร์ S-band อยู่ที่คุณสมบัติสองประการของการตรวจจับระยะไกลและความสามารถในการปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อมที่แข็งแกร่ง ได้รับประโยชน์จากการสูญเสียการแพร่กระจายของชั้นบรรยากาศที่ต่ำ โดยสามารถตรวจจับยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) ด้วย RCS 0.1 ตารางเมตรที่ระยะ 15 ถึง 25 กิโลเมตร และระยะการตรวจจับสำหรับ UAV ขนาดใหญ่ที่มี RCS 1 ตารางเมตรอาจเกินกว่า 30 กิโลเมตร มันสามารถครอบคลุมโซนป้องกันพื้นที่กว้าง เช่น แนวชายแดน ขอบฐานทัพทหาร โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ และสวนอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบการป้องกันมีกรอบเวลาการเตือนล่วงหน้า 3 ถึง 8 นาที ซึ่งเพียงพอที่จะรองรับการติดตั้งและการตอบสนองของอาวุธสกัดกั้น ในขณะเดียวกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า S-band มีการทะลุทะลวงได้ดีกว่ามากผ่านสภาพอากาศที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น ฝน หิมะ และหมอกควัน เมื่อเปรียบเทียบกับคลื่น X-band ภายใต้ปริมาณน้ำฝน 20 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง ระยะการตรวจจับจะลดลงเพียง 10% ถึง 15% เท่านั้น ทำให้สามารถทำงานอย่างต่อเนื่องทุกสภาพอากาศและตลอดเวลาโดยไม่มีการรบกวนจากแสงและการเปลี่ยนแปลงทางอุตุนิยมวิทยาอย่างมีนัยสำคัญ ในแง่ของการระบุเป้าหมายหลายเป้าหมาย ต้องขอบคุณอัตรากำลังที่เพียงพอและแบนด์วิธการประมวลผลสัญญาณ เรดาร์ S-band สามารถติดตามเป้าหมายทางอากาศได้หลายสิบหรือหลายร้อยเป้าหมายพร้อมกัน ทำให้มีขีดความสามารถพื้นฐานในการตอบโต้การโจมตีด้วย UAV ที่เป็นฝูงขนาดเล็ก

อย่างไรก็ตามข้อเสียของมันก็โดดเด่นไม่แพ้กันและไม่สามารถถูกแทนที่ได้ ประการแรกความละเอียดค่อนข้างต่ำ เนื่องจากความยาวคลื่นที่ยาว ความกว้างของลำคลื่นจึงอยู่ในช่วง 1 ถึง 2 องศา ทำให้ยากต่อการจับภาพรายละเอียดคุณลักษณะของยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับขนาดเล็ก (UAV) ได้อย่างแม่นยำ เผชิญกับความยากลำบากอย่างมากในการระบุไมโคร UAV ที่มีหน้าตัดเรดาร์ (RCS) น้อยกว่า 0.1 ตารางเมตร และมีแนวโน้มที่จะสร้างความสับสนให้กับเป้าหมายที่มีระดับความสูงต่ำ เช่น นก และบอลลูน ประการที่สอง การรบกวนจากความยุ่งเหยิงในระดับความสูงต่ำนั้นรุนแรง ในภูมิประเทศที่ซับซ้อน รวมถึงกลุ่มอาคารในเมืองและพื้นที่ภูเขา สัญญาณรกรุงรังที่สะท้อนจากพื้นดินมีลักษณะความถี่ที่คล้ายกันกับสัญญาณเสียงสะท้อน UAV ส่งผลให้อัตราการเตือนผิดพลาดสูงขึ้น แม้แต่อัลกอริธึมขั้นสูง เช่น Moving Target Indication (MTI) และ Pulse Doppler (PD) ก็ไม่สามารถกรองการรบกวนที่ยุ่งเหยิงได้อย่างสมบูรณ์ ประการที่สาม อุปกรณ์มีขนาดใหญ่และใช้พลังงานสูง เสาอากาศของเรดาร์แบบ Phased Array ของวง S ทั่วไปมักจะครอบคลุมพื้นที่ 2 ถึง 5 ตารางเมตร และมีน้ำหนักหลายตัน การติดตั้งเคลื่อนที่ต้องใช้ยานพาหนะเฉพาะหรือตำแหน่งคงที่ ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการป้องกันเคลื่อนที่ทางยุทธวิธีแนวหน้า ดังนั้นเรดาร์ S-band จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการเตือนภัยล่วงหน้าในพื้นที่กว้างในตำแหน่งเชิงกลยุทธ์และปฏิบัติการคงที่ ซึ่งทำหน้าที่เป็น "สายตาระยะไกล" ของระบบป้องกันต่อต้าน UAV

(II) เรดาร์ C-band: อเนกประสงค์รอบด้านพร้อมประสิทธิภาพที่สมดุล
เรดาร์ C-band โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่สมดุลเป็นคุณลักษณะหลัก สร้างสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างระยะการตรวจจับและความแม่นยำในการระบุตัวตน ทำให้เป็นตัวเลือกกระแสหลักสำหรับระบบป้องกัน UAV ขนาดเล็กและขนาดกลาง สามารถตรวจจับ UAV ด้วย RCS 0.1 ตารางเมตร จากระยะ 8 ถึง 15 กิโลเมตร และ micro-UAV ด้วย RCS 0.01 ตารางเมตร ที่ระยะประมาณ 4 ถึง 6 กิโลเมตร ซึ่งเป็นระดับประสิทธิภาพระหว่างเรดาร์ S-band และ X-band โดยสามารถตอบสนองข้อกำหนดการป้องกันสำหรับพื้นที่ขนาดกลาง เช่น สวนอุตสาหกรรม สวนโลจิสติกส์ และสถานที่จัดกิจกรรมขนาดใหญ่ และยังทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบในการอุดช่องว่างระยะกลางถึงระยะสั้นในระบบการป้องกันขนาดใหญ่ เมื่อเปรียบเทียบกับเรดาร์ S-band เรดาร์ C-band มีความยาวคลื่นสั้นกว่า และความกว้างของลำแสงสามารถแคบลงได้ 0.5 ถึง 1 องศา ทำให้มีความละเอียดที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด สามารถติดตามทัศนคติการบินและวิถีการบินของ UAV ได้ด้วยความแม่นยำที่สูงขึ้น ทำให้มีความแม่นยำในการระบุตัวตนมากกว่า 85% สำหรับ UAV ขนาดเล็กและขนาดกลาง เมื่อเปรียบเทียบกับเรดาร์ X-band พบว่ามีการลดทอนการแพร่กระจายของชั้นบรรยากาศน้อยกว่า ภายใต้ปริมาณน้ำฝน 20 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง ระยะการตรวจจับจะลดลงเพียง 20% ถึง 25% ทำให้สามารถปรับตัวเข้ากับสภาพอากาศได้ดีขึ้น และประสิทธิภาพการระบุตัวตนที่เสถียรยิ่งขึ้นท่ามกลางสภาพอากาศที่รุนแรง

ข้อจำกัดของ C-band ส่วนใหญ่จะสะท้อนให้เห็นในสองด้าน ประการแรก ยังคงมีความกดดันในการกรองความยุ่งเหยิงในระดับความสูงต่ำ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่า S-band แต่สัญญาณที่ยุ่งเหยิงยังคงลดความแม่นยำในการระบุตัวตนในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน เช่น กลุ่มอาคารหนาแน่นและพื้นที่ป่าหนาทึบ เทคโนโลยีฟิวชันหลายเซ็นเซอร์ เช่น การรวมเรดาร์-ไฟฟ้า-ออปติคัล และการรวมเรดาร์-อะคูสติก จำเป็นเพื่อลดอัตราการเตือนที่ผิดพลาด ประการที่สอง ความสามารถในการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในระดับปานกลาง เนื่องจาก C-band เป็นย่านความถี่ทั่วไปสำหรับการบินพลเรือนและการสื่อสารผ่านดาวเทียม จึงเสี่ยงต่อการถูกรบกวนจากสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าของพลเรือน ในสภาพแวดล้อมที่มีมาตรการตอบโต้ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง สัญญาณของมันมีความเสี่ยงที่จะถูกปราบปรามหรือหลอกลวง ซึ่งบ่อนทำลายการระบุเป้าหมายของโดรนอย่างมีเสถียรภาพ นอกจากนี้ เรดาร์ซีแบนด์ยังมีขนาดและระดับการใช้พลังงานระหว่างเรดาร์เอสแบนด์และเอ็กซ์แบนด์ ทำให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์เคลื่อนที่ที่ติดตั้งในยานพาหนะได้ อย่างไรก็ตาม พวกเขาขาดความคล่องตัวและความยืดหยุ่นเพียงพอเมื่อเทียบกับเรดาร์ X-band แบบพกพา โดยรวมแล้ว ประสิทธิภาพที่สมดุลของเรดาร์ C-band มอบความสามารถในการปรับตัวที่กว้างที่สุด พวกเขาสามารถสร้างระบบป้องกันโดรนขนาดเล็กและขนาดกลางได้อย่างอิสระ และยังสามารถบูรณาการเข้ากับเครือข่ายการป้องกันขนาดใหญ่เพื่อให้เกิดการเสริมการประสานกัน

(III) เรดาร์เอ็กซ์แบนด์: "นักล่าระยะสั้น" เพื่อการระบุที่แม่นยำ

เรดาร์ X-band ใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะความยาวคลื่นสั้น โดยทำหน้าที่เป็นโซลูชันหลักสำหรับการระบุโดรนที่แม่นยำและการนำทางการสกัดกั้นในระยะสั้น โดยมีจุดแข็งหลักอยู่ในการพัฒนาสองด้านที่มีความละเอียดสูงและประสิทธิภาพการป้องกันสิ่งรบกวนที่แข็งแกร่ง เนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้นมาก ทำให้ความกว้างของลำคลื่นสามารถแคบลงได้ถึง 0.1–0.5 องศา และความละเอียดของช่วงสามารถเข้าถึงได้ภายใน 0.5 เมตร พวกเขาสามารถแยกแยะคุณสมบัติโดยละเอียดของโดรนขนาดเล็กได้อย่างชัดเจน เช่น โปรไฟล์รูปร่างและจำนวนโรเตอร์ และยังระบุไมโครโดรนได้อย่างแม่นยำด้วย RCS ขนาดเพียง 0.01 ตารางเมตรในระยะทาง 3 กิโลเมตร พวกมันแสดงประสิทธิภาพการระบุตัวตนที่ยอดเยี่ยมกับเป้าหมายที่ต่ำ ช้า และเล็ก รวมถึงโดรนฆ่าตัวตาย FPV และอาวุธยุทโธปกรณ์ ที่สำคัญกว่านั้น เรดาร์เอ็กซ์แบนด์สามารถแยกลายเซ็นความถี่ไมโครดอปเปลอร์ที่สร้างขึ้นโดยการหมุนโรเตอร์ของโดรน เพื่อแยกแยะโดรนที่โฉบอยู่จากวัตถุที่รบกวน เช่น สิ่งกีดขวางบนพื้นและนกได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เรดาร์ XENTA-C ของเดนมาร์กมีความแม่นยำในการระบุตัวตนมากกว่า 95% สำหรับโดรนที่บินอยู่ โดยการตรวจจับสัญญาณไมโครดอปเปลอร์ของโรเตอร์ ซึ่งแก้ไขจุดปวดหลักในการระบุเป้าหมายขนาดเล็กที่มีระดับความสูงต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จุดอ่อนที่ใหญ่ที่สุดของมันอยู่ที่ระยะการตรวจจับที่สั้น ซึ่งได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากการสูญเสียการแพร่กระจายของชั้นบรรยากาศและสภาวะอุตุนิยมวิทยา ระยะการตรวจจับสำหรับ UAV ที่มี RCS 0.1 ตารางเมตรอยู่ที่เพียง 6 ถึง 10 กิโลเมตร ในขณะที่ระยะการตรวจจับสำหรับ micro-UAV ที่มี RCS 0.01 ตารางเมตรนั้นน้อยกว่า 3 กิโลเมตร ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์การป้องกันระยะสั้นเท่านั้น เช่น พื้นที่ปลอดโปร่งของสนามบิน พื้นที่หลักของสิ่งอำนวยความสะดวกที่สำคัญ และสถานที่จัดกิจกรรมขนาดใหญ่ ภายใต้สภาพอากาศที่รุนแรง ประสิทธิภาพของเรดาร์เอ็กซ์แบนด์จะลดลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่อปริมาณน้ำฝนสูงถึง 20 มม. ต่อชั่วโมง ระยะการตรวจจับสามารถลดลง 40% ถึง 50% และอาจลดลงมากกว่า 60% ในสภาพอากาศที่มีหมอกหนา ในขณะเดียวกัน ก็ไวต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และความเสถียรในการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนนั้นอาศัยเทคโนโลยีป้องกันการรบกวน เช่น การกระโดดความถี่และสเปรดสเปกตรัม อย่างไรก็ตาม เรดาร์เอ็กซ์แบนด์มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในด้านปริมาณและการใช้พลังงาน ขนาดเสาอากาศของเรดาร์เอ็กซ์แบนด์ขนาดเล็กสามารถลดลงเหลือน้อยกว่า 0.5 ตารางเมตร โดยมีน้ำหนักต่ำกว่า 100 กิโลกรัม และยังสามารถติดตั้งแบบเคลื่อนย้ายได้ เพื่อตอบสนองความต้องการการป้องกันระดับยุทธวิธีสำหรับหน่วยรบแนวหน้าและแอปพลิเคชันมือถือที่ติดตั้งบนยานพาหนะ ดังนั้น เรดาร์เอ็กซ์แบนด์จึงนำไปประยุกต์ใช้กับการระบุพิกัดระยะสั้นที่แม่นยำทางยุทธวิธีและคำแนะนำในการสกัดกั้นได้ดีกว่า ซึ่งทำหน้าที่เป็น "แนวป้องกันสุดท้าย" ในระบบป้องกันต่อต้านอากาศยานไร้คนขับ