Radares LPI/LPD

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Esta entrada tratar sobre la particularidad que hace que los AESA (Array electrónicos de escaneo activo) gocen de una buena ventaja con respecto a radares PESA (array electrónico de escaneo pasivo) por cuanto a características LPI/LPD, es decir radares de baja probabilidad de identificación/detección por sistemas RWR (Radar Warning Receiver) hostiles en solitario o como parte de suites electrónicas ESM. Debido a sus características que en la parte final comentaremos, los radares MSA (Arrays de escaneo mecánico),  no se deberían incluir en el grupo de radares con capacidades LPI. 

Decir que aviones tales como el F-22 y F-35 no tienen porque usar su radar para obtener un bloqueo más allá del alcance visual,  pueden usar sensores pasivos tales como el sistema Barracuda, o el ALR-94 para detectar emisiones rivales a cientos de kms, o en el caso del F-35 además usar sus sistemas electroópticos pasivos. en distancias ya mucho más cortas. Por regla general, el radar en estos aviones funciona de un modo federado al de su suite electrónica, y aunque pueden trabajar por separado, su modo de actuación es en conjunto mediante el núcleo de fusión de datos, de este modo el radar no tiene porque ser tan siquiera un sensor de exploración sino que puede ser usado a conveniencia para extraer solo los datos necesarios o faltantes de un objetivo, en la búsqueda de una solución de disparo, invirtiendo la menor cantidad de energía posible sin que éste se de cuenta.

Por esto, si los cazas con radares LPI usan sus emisiones para el seguimiento de objetivos, no necesariamente serán detectados por los aviones hostiles, debido a estas capacidades LPI, lo que se conoce como radares de baja probabilidad de intercepción; los EEUU llevan usando y perfeccionando esta tecnología desde hace ya 21 años operacionalmente, por lo que llevan una ventaja en la madurez y crecimiento del software asociado al hardware de un radar Aesa. El primer APG-77 que equipó al F-22 inicialmente pertenecía a la 3º generación de radares Aesa por parte de Northrop Grumman, el actual APG-77 (V)1 forma ya parte de la 4º generación junto al APG-81 del F-35 también de Northrop, el primero recibió actualizaciones a través de lo desarrollado para el APG-81. Es pues una tecnología en continúo desarrollo, y poco tiene que ver ya el APG-77 original con el actual. 

El término LPI/LPD o baja probabilidad de identificación/detección, no es una tecnología o característica única, sino un término que se refiere a múltiples capacidades diferentes que, en general minimizan o imposibilitan que un enemigo detecte y/o identifique como hostiles las emisiones del propio radar.

Algunas de las capacidades o características que un radar LPI/LPD puede disponer serían:


     La supresión de los lóbulos laterales del haz emisor 

   Los radares generalmente producen patrones de energía no uniformes como vemos en la siguiente figura. Nos muestra una sección transversal de los lóbulos de emisión de 2 radares aerotransportados:



Cuando un radar emite o radia energía, no solo lo hace en la dirección que interesa sino hacia otras direcciones tanto en azimuth como en elevación que no interesan. Es lo que se conocen como lóbulos laterales, lo cual son del todo indeseables, porque no solo se emite energía hacia otras direcciones que puede desencadenar que los RWR de otros aviones hostiles las intercepten, sino que a través de ellas, meterán ruido indeseado sin que el radar pueda saber si proviene del haz principal o de los lóbulos laterales. 

Lo que hacen los F-22 y F-35 para esto es usar radares AESA con muchos módulos de transmisión/recepción (y antenas), dotándoles de una gran apertura. Estos radares disponen de una muy alta directividad, lo que significa que una mayor parte de sus emisiones totales se destinan a su lóbulo principal (con un lóbulo principal lo más fino y alargado posible) de tal manera que en vez de tener haces muy expandidos en anchura, lo tendremos en profundidad, algo similar a lo que podría ser un láser. Además estos aviones para minimizar aún más los lóbulos laterales, disponen de espuma absorbente a las ondas de radar alrededor de su radar AESA, lo que significa que cualquier energía que se dirigiera hacia los lados se suprime aún más.


APG-81


En pocas palabras, sus radares funcionan más como si fuesen láseres a cómo si fuesen linternas a semejanza de los radares clásicos, lo que minimiza las posibilidades de que esas emisiones no deseadas puedan ser detectadas por el RWR de cualquier avión que no sea el avión al que dirigen con el (láser) haz principal.



Al hacer esto, y esparcir sus emisiones en una porción del espacio lo más reducido posible (se habla de haces de 2º*2º) no se necesita la misma potencia para la detección de un avión que con un radar PESA o MSA cuyo cono y lóbulos laterales son mucho más grandes y perjudiciales. Un ejemplo es el cono del Irbis E PESA que en su mínima apertura es de unos 100 grados cuadrados, es decir,  de unos 10º*10º, cifras alejadas de los 2º*2º del APG-77 citados en el artículo The Next Generation, del the Journal of Electronic Defense, June 1, 2000.

Los radares con los lóbulos laterales suprimidos o drásticamente reducidos pueden tener un requerimiento de energía 10.000 veces inferior al que necesitarían de contar con estos lóbulos indeseados.


Vía Irbis-E - a new generation radar", magazine "Аэрокосмическое обозрение №1, 2006 г

Vía página web fabricante, https://web.archive.org/web/20210404184053/https://www.niip.ru/catalog/eksportnaya-produktsiya/rlsu-irbis-e/?bxrand=1594119767028


Una mayor agilidad en el cambio de frecuencia

Si un radar transmite a la misma frecuencia en cada pulso, puede ser muy fácil detectarlo del ruido de fondo, porque es fácil para un sistema ESM detectar una señal idéntica repetitiva con un similar patrón. Si un radar cambia de frecuencia cada vez que emite un pulso, se vuelve más difícil de detectar, porque el sistema ESM puede pensar que son picos de energía no relacionados entre sí. En la naturaleza se producen picos de energía debido a fenómenos naturales, incluso radios de consumo civil,... por lo que si los pulsos del radar no son repetitivos, el sistema RWR o ESM puede confundirlos precisamente con éstos más fácilmente.

La agilidad de frecuencia es otra de las características de los radares AESA y PESA, pudiendo cambiar en los más avanzados AESA hasta 1.000 veces/segundo. Esto no solo complica a los sistemas ESM rivales la identificación y detección de los pulsos del radar sino que además constituye un medio de protección contra ataques electrónicos.

Los radares AESA disponen de un transmisor y receptor en cada uno de sus módulos, mientras esto no sucede en los PESA que solo dispone de un transmisor y receptor. Significa que cada módulo o grupo de módulos del sistema AESA podría cambiar de frecuencia en un mismo pulso. Por contra el sistema PESA no puede, por lo que lo hace más susceptible contra ataques electrónicos. El sistema AESA puede generar múltiples haces trabajando simultáneamente a distintas frecuencias, el sistema PESA solo dispone de un único haz principal.

Disposición de un mayor ancho de banda 

Los radares aerotransportados de los cazas pueden producir señales en un rango de frecuencias de entre 8 GHz y 12 GHz (banda X). Como comenté en el apartado de agilidad de Frecuencia, si se cambia la frecuencia rápidamente, los pulsos del radar pueden parecer que no están relacionados. Los sistemas ESM tienen que ser capaces de manejar al menos pequeños cambios en la frecuencia. Si un radar solo ajusta su frecuencia ligeramente cada vez, puede ser fácil de identificar para un sistema ESM avanzado.

Sin embargo, si un radar está saltando de frecuencia en cada pulso o cientos de veces entre los 8 GHz y 12 GHz (4.000 Mhz), será mucho más difícil para el sistema ESM correlacionarlo, porque el sistema ESM debe poder monitorear todo el ancho de banda con un amplio rango de frecuencias simultáneamente. Si el sistema ESM fue diseñado para detectar las típicas frecuencias de radar en uso cuando fue diseñado, es posible que los AESA modernos operen fuera del rango de frecuencias que los ESM pueden detectar, ya que ni tan siquiera detectaría las frecuencias que le están llegando.

En lugar de formar un solo haz de radar de por ejemplo 10 kW como harían los radares antiguos , el APG-81 o el APG-77 pueden formar múltiples haces en un ancho de banda muy grande simultáneamente, de modo que, aunque la salida total podría ser de 16 kW,  debido a que se extiende a través de un ancho de banda de quizás 3 o 4 GHz por medio de múltiples haces, la potencia promedio en un canal de frecuencia individual podría estar por debajo del ruido de fondo de un RWR, aunque la suma de potencia total a lo largo de todo el ancho de banda fuese de 10 kw. El sistema RWR podría integrar los pequeños pulsos formando un pulso integrado que de pasar el nivel de detección, sería tomado como un objetivo válido por el sistema RWR, pero si los pulsos se muestran por debajo del nivel de ruido del receptor como se observa en la 2º imagen, entonces el sistema RWR sería incapaz de tomar como valido uno solo de esos pequeños pulsos.

Via Introduction to Airborne Radar 2 ed.





Cambiar aleatoriamente los parámetros del pulso

Los radares y los sistemas ESM a menudo buscan patrones para contrastar señales artificiales (potencialmente hostiles) del ruido/radiación de fondo. Los radares más antiguos con agilidad de frecuencia a veces utilizaban simples subidas o bajadas en frecuencia para engañar a los sistemas ESM enemigos más antiguos. Sin embargo, los cambios de frecuencia uniformes, que aumentan o disminuyen constantemente son muy fáciles de monitorear, por lo que los radares han tenido que mejorar.

Los AESA modernos, como en el F-22 y el F-35, pueden usar esencialmente un generador de números aleatorios para generar una secuencia aleatoria y ruidosa de frecuencias, y luego no solo transmitirlas, sino también memorizarlas. Durante los siguientes microsegundos, el AESA buscará constantemente ruido aleatorio que coincida con esa secuencia que emitió.

La técnica de reparto de la energía total emitida en pulsos de menos intensidad a lo largo de un amplio espectro de frecuencias comentada en el capitulo anterior también se podría adquirir a través de la modulación de los pulsos en el tiempo. El efecto obtenido sería el mismo con los sistemas RWR rivales, estar por debajo del ruido del sistema y pasar  desapercibidos.



La Compresión de Pulsos

Un radar LPI no solo puede cambiar la frecuencia de cada pulso, sino que también puede cambiar la frecuencia continuamente durante un pulso. Muchos radares usan una versión simple de esto llamada compresión de pulso (se aumenta o disminuye la frecuencia durante un pulso para que pueda identificar que hay múltiples objetivos cuando están volando con poca diferencia en el alcance de su radar), que se ve así:

La modulación o compresión del pulso en los radares LPI modernos puede ir un paso más allá creando pulsos que cambien de frecuencia aleatoriamente. El radar sabe exactamente lo que transmite, por lo que puede calcular cómo debería verse la señal de retorno ya que sabe perfectamente la composición de cada pulso emitido.

En la siguiente imagen vemos como funciona la compresión de un pulso, formando varios pulsos de distintas frecuencias y duraciones en uno solo.


Modulación de un pulso mediante la suma de varios pulsos con frecuencias diferentes

Sin embargo, un sistema RWR no sería capaz de filtrar por separado estos pulsos individuales para su procesamiento.

El recibidor del RWR/ESM necesita la detección individual de pulsos para proceder a su análisis. En consecuencia, tiene poca o ninguna capacidad de integrar la señales, tratándolas separadamente unas de otras. Por otro lado, el radar no tiene tal limitación.


El uso de patrones de escaneo aleatorios

Los modernos radares Aesa usan patrones de escaneo aleatorios, no siguen como los antiguos radares una dinámica preestablecida de escaneo, de izquierda-derecha, arriba-abajo, etc. Sino que emiten haces pudiendo ser muy estrechos en muchas direcciones diferentes prácticamente al mismo tiempo, esto hace que los sistemas RWR y ESM tengan muchos más problemas para reconocer que están ante una emisión artificial en vez de picos de emisiones  de origen natural.



              Escaneo Radar APG-81 F-35


Una menor potencia de pulso requerida

Los radares AESA en comparación con los radares PESA o los radares MSA, pueden tener niveles de ruido 4 veces más bajos (-6 dBi más bajos) debido a su arquitectura de construcción, lo que significa que son mucho más sensibles y detectan mejor las señales de retorno más débiles provenientes de aviones más alejados o de aviones con un RCS muy bajo. Debido a esto, son muy buenos para la detección de por ejemplo misiles de crucero con muy bajos RCS a distancias que para los PESA o MSA sería inviable.

El menor ruido interno del sistema AESA significa que puede reducir significativamente la cantidad de energía que transmite al enemigo, lo que hace que su señal sea más difícil de detectar y, con suerte, que sea más silenciosa que el ruido de fondo del sistema RWR / ESM del enemigo.



Diferencia nivel ruido interno Arquitectura Pesa Vs Aesa



Pensar que para un determinado eco, éste debería ser superior al ruido interno generado por el sistema multiplicado por 2 (ida y vuelta), es decir 3,05dB perdidos en la emisión y otros 3,05dB perdidos durante la recepción del eco.

Seguimiento a objetivos con una menor cantidad de energía

El radar ajusta constantemente la potencia y la cantidad de pulsos para mantener un bloqueo en su objetivo mientras usa la menor cantidad de energía posible. Esto es muy eficaz cuando ya se ha detectado el objetivo y se recurre a haces muy estrechos que buscan solo los datos imprescindibles para hacer un seguimiento, básicamente es casi imposible detectar las emisiones de un radar AESA LPI en este modo cuando está realizando tracking a un objetivo debido al uso mínimo de energía en sus emisiones. Esta capacidad es nombrada por Northrop tanto para el APG-77 como el APG-81.

En radares de exploración, esta función es más complicada de usar ya que se necesita mucha más energía para la exploración, pero no están exentos de la búsqueda de subterfugios para realizar la detección usando la menor energía posible.

En la siguiente gráfica puede observarse, parte de lo comentado. Comparando las distancias de detección entre un radar LPI (Azul) y otro sin características LPI (rojo) es detectado o no por medios RWR y ESM y a qué distancias. En el primer caso del radar LPI, se observa como con un menor uso de potencia 1w versus 10 kw el radar convencional, detectaría los objetivos a distancia similares o incluso mayores, pero sin embargo los medios RWR/ESM rivales que serían capaces de detectar al radar  convencional a tiempo no serían capaces de detectar las emisiones del radar LPI antes de que éste detectara los objetos.

Una vez se produce la detección, el radar LPI podría ajustar la potencia empleada a niveles inferiores para seguir el objetivo sin que el medio RWR/ESM tuviese la menor idea.


Via LPI:Invisible radars



Hemos visto algunas de las capacidades que hacen que un radar pueda ser catalogado como LPI. Los sistemas ESM rivales tendrán la vida más difícil cuando se enfrenten a aviones provistos de este tipo de radares.

La tecnología está en constante evolución, quizás con la entrada de nuevos sistemas como el EPAWSS que es una evolución de los ESM que existen en los F-22 y F-35, tengan más probabilidades de poder detectar las emisiones de sus radares, aunque esto todavía estaría por ver. 

Sin embargo, sí se ha comprobado que el peor enemigo para un furtivo dotado de un radar Aesa LPI es otro furtivo dotado de las mismas o similares capacidades. En cierta manera es lógico que tu mayor rival, sea un gemelo tuyo.

Airborne detection of stealth aircraft may already be an operational capability. In a series of tests at Edwards AFB, Calif., in 2009, Lockheed Martin’s CATbird avionics testbed—a Boeing 737 that carries the F-35 Joint Strike Fighter’s entire avionics system—engaged a mixed force of F-22s and Boeing F-15s and was able to locate and jam F-22 radars, according to researchers. 

           Vía Aviation Week and Space

Otra consecuencia de estas capacidades como ya he comentado en alguno de los capítulos descritos es la dificultad para poder interferir o jamear un radar AESA LPI, capacidades como el uso de amplios anchos de banda, cambio de los patrones de emisión, y/o de las frecuencias, hace que para un interferidor siguiendo técnicas de decepción tipo DRFM sea casi improbable que suceda. Como ejemplo tenemos, test llevados a cabo entre F-22s y F-15s provistos de pods Jammer usando técnicas DRFM, viéndose incapaces de lograrlo.

In that engagement I talked about at Nellis, in Red Flag, the ability to be in a cockpit with a God's-eye view of what is going on in the world was such an advantage over a fourth-generation fighter—and arguably one of the best fourth-generation fighters in existence, the F15. But even with a DRFM jamming pod, we still had no chance in those particular engagements. And at no time did any of the performance characteristics that you are talking about have any relevance to those five engagements. 
Vía Parliamentary Joint Committee on Foreign Affairs, Defence and Trade 16/05/2013


A modo de conclusión:

Los radares MSA (Arrays de escaneo mecánico) no deben ser denominados LPI porque:

  • Tienen patrones de exploración preestablecidos debido a la propia mecánica del sistema.
  • Solo puede transmitir o recibir a la vez.
  • Solo pueden enviar un único haz de energía.

Para un suite ESM moderna es relativamente sencillo categorizar una emisión de un radar MSA como tal.


Arquitectura PESA vs AESA


Los radares PESA y AESA sí disfrutan de capacidades LPI, pero las capacidades LPI de los AESA son superiores.

Los radares PESA constan de un solo transmisor y receptor, mientras que un radar AESA consta de múltiples módulos de transmisión y recepción, conocidos como módulos T/R (ver el gráfico superior). De este modo, un radar PESA solo puede emitir un solo haz de ondas de radio a una sola frecuencia a la vez, mientras que un radar AESA puede emitir múltiples haces de ondas de radio a múltiples frecuencias simultáneamente. El AESA es una generación más avanzada y sofisticada de tecnología que la matriz PESA. 

Los radares AESA gozan de un mayor ancho de banda de frecuencia, una mayor rapidez de escaneo al poder formar múltiples haces a la vez, y una mejor gestión de la energía emitida. El disfrutar de un mayor ancho de banda no solo le reporta mejores características LPI sino que además les convierte en un radar mucho más difícil de interferir por plataformas especializadas y a su vez esa capacidad hace que con las adaptaciones necesarias pueda servir como elemento de ataque electrónico, algo que radares como el APG-81 o el APG-77 (v)1 permiten realizar actualmente. 

No es sorprendente que los EEUU directamente en sus radares aerotransportados en cazas tácticos hubiesen pasado de radares MSA a AESA, saltándose a los PESA. Los radares PESA disponían de claras mejoras sobre los MSA, pero con un final previsible al aparecer ya en el horizonte una cada vez más madura tecnología AESA. Hoy, cualquier caza que no cuente con un radar LPI y añado AESA, está en clara desventaja; Ser o No Ser, he ahí la cuestión.


Referencias: