Пассивный радар (также называемый паразитным радаром , пассивным когерентным местоположением , пассивным наблюдением и пассивным скрытым радаром ) — это класс радиолокационных систем, которые обнаруживают и отслеживают объекты, обрабатывая отражения от некооперативных источников освещения в окружающей среде, таких как сигналы коммерческого вещания и связи. Это частный случай бистатического радара — пассивный бистатический радар ( PBR ) — который является широким типом, также включающим эксплуатацию кооперативных и некооперативных передатчиков радаров. [1] [2] [3]
Обычные радиолокационные системы включают в себя совмещенные передатчик и приемник , которые обычно используют общую антенну для передачи и приема. Передается импульсный сигнал, а время, необходимое импульсу для прохождения до объекта и обратно, позволяет определить дальность до объекта.
В пассивной радиолокационной системе нет выделенного передатчика. Вместо этого приемник использует сторонние передатчики в окружающей среде и измеряет разницу во времени прибытия между сигналом, поступающим непосредственно от передатчика, и сигналом, поступающим через отражение от объекта. Это позволяет определить бистатический диапазон объекта. В дополнение к бистатическому диапазону пассивный радар обычно также измеряет бистатический доплеровский сдвиг эха, а также направление его прибытия. Это позволяет рассчитать местоположение, направление и скорость объекта. В некоторых случаях можно использовать несколько передатчиков и/или приемников для выполнения нескольких независимых измерений бистатического диапазона, доплеровского сдвига и пеленга и, следовательно, значительно повысить точность окончательного трека.
Термин «пассивный радар» иногда используется неправильно для описания тех пассивных датчиков, которые обнаруживают и отслеживают самолеты по их радиочастотным излучениям (таких как радар, связь или транспондерное излучение). Однако эти системы не используют отраженную энергию и, следовательно, более точно описываются как системы электронного обеспечения или противорадиационные системы. Известными примерами являются чешские системы TAMARA и VERA и украинская система «Кольчуга» .
Концепция пассивного радиолокационного обнаружения с использованием отраженных окружающих радиосигналов, исходящих от удаленного передатчика, не нова. Первые радиолокационные эксперименты в Соединенном Королевстве в 1935 году Роберта Уотсона-Уотта продемонстрировали принцип работы радара, обнаружив бомбардировщик Handley Page Heyford на расстоянии 12 км с помощью коротковолнового передатчика BBC в Давентри .
Ранние радары были все бистатическими, поскольку технология, позволяющая переключать антенну из режима передачи в режим приема, не была разработана. Таким образом, многие страны использовали бистатические системы в сетях противовоздушной обороны в начале 1930-х годов. Например, британцы развернули систему CHAIN HOME ; французы использовали бистатический радар непрерывного излучения (CW) в системе «забора» (или «барьера»); Советский Союз развернул бистатическую систему CW под названием RUS-1, а японцы разработали бистатический радар CW под названием «Тип A».
Немцы использовали пассивную бистатическую систему во время Второй мировой войны . Эта система, называемая Klein Heidelberg Parasit или Heidelberg-Gerät , была развернута на семи объектах (Лиммен, Оствоорне, Остенде, Булонь, Абвиль, Кап-д'Антифер и Шербур) и работала как бистатические приемники, используя британские радары Chain Home в качестве некооперативных облучателей, для обнаружения самолетов над южной частью Северного моря.
Бистатические радарные системы уступили место моностатическим системам с разработкой дуплексера в 1936 году. Моностатические системы было намного проще реализовать, поскольку они устраняли геометрические сложности, вносимые отдельными передающими и приемными участками. Кроме того, стали возможны самолетные и корабельные приложения, поскольку были разработаны более мелкие компоненты. В начале 1950-х годов бистатические системы снова стали рассматриваться, когда были обнаружены некоторые интересные свойства рассеянной энергии радара, действительно, термин «бистатический» был впервые использован Сигелем в 1955 году в его отчете, описывающем эти свойства. [4]
Одной из самых больших и сложных пассивных радиолокационных систем была британская RX12874 , или «Winkle». Winkle была развернута в 1960-х годах в ответ на введение карцинотрона , радиолокационного глушителя , который был настолько мощным, что, казалось, делал бесполезными радары дальнего действия. Winkle могла наводиться на передачи карцинотрона с той же точностью, что и обычный радар, позволяя отслеживать и атаковать самолет-глушитель на расстоянии сотен миль. Кроме того, указывая местоположение глушителя, другие радары в сети Linesman/Mediator могли снижать чувствительность своих приемников, когда они были направлены в этом направлении, тем самым уменьшая количество принимаемых помех, когда они были направлены вблизи местоположения глушителя.
Рост дешевой вычислительной мощности и технологии цифровых приемников в 1980-х годах привел к возрождению интереса к пассивной радиолокационной технологии. Впервые это позволило разработчикам применять цифровые методы обработки сигналов для использования различных широковещательных сигналов и использовать методы кросс-корреляции для достижения достаточного усиления обработки сигнала для обнаружения целей и оценки их бистатического диапазона и доплеровского сдвига. Секретные программы существовали в нескольких странах, но первое объявление о коммерческой системе было сделано компанией Lockheed-Martin Mission Systems в 1998 году с коммерческим запуском системы Silent Sentry, которая использовала FM-радио и аналоговые телевизионные передатчики. [5]
Разработаны пассивные радиолокационные системы, использующие следующие источники освещения:
Спутниковые сигналы, как правило, были признаны более сложными для пассивного радиолокационного использования, либо из-за слишком низкой мощности, либо из-за того, что орбиты спутников таковы, что освещение происходит слишком редко. Однако за последние годы в этой области произошли значительные изменения. Возможным исключением из этого является эксплуатация спутниковых радаров и спутниковых радиосистем . В 2011 году исследователи Баротт и Бутка из Университета аэронавтики Эмбри-Риддла объявили о результатах, заявляющих об успешном использовании XM Radio для обнаружения самолетов с помощью недорогой наземной станции. [6]
В обычной радиолокационной системе время передачи импульса и переданная форма волны точно известны. Это позволяет легко рассчитать дальность объекта и использовать согласованный фильтр для достижения оптимального соотношения сигнал/шум в приемнике. Пассивный радар не имеет этой информации напрямую и, следовательно, должен использовать выделенный канал приемника (известный как «опорный канал») для мониторинга каждого используемого передатчика и динамической выборки переданной формы волны. Пассивный радар обычно использует следующие этапы обработки:
Более подробно они описаны в разделах ниже.
Пассивная радиолокационная система должна обнаруживать очень маленькие отражения цели в присутствии очень сильных, непрерывных помех. Это контрастирует с обычным радаром, который прослушивает эхо в периоды тишины между каждой передачей импульса. В результате приемник должен иметь низкий коэффициент шума , большой динамический диапазон и высокую линейность . Несмотря на это, принятые эхо-сигналы обычно значительно ниже уровня шума, и система имеет тенденцию быть ограниченной внешним шумом (из-за приема самого переданного сигнала, а также приема других удаленных внутриполосных передатчиков). Пассивные радиолокационные системы используют цифровые приемные системы, которые выводят оцифрованный , дискретизированный сигнал.
Большинство пассивных радиолокационных систем используют простые антенные решетки с несколькими антенными элементами и оцифровкой на уровне элементов . Это позволяет вычислять направление прибытия эхо-сигналов с использованием стандартных методов формирования луча радара , таких как амплитудный моноимпульс с использованием серии фиксированных, перекрывающихся лучей или более сложного адаптивного формирования луча . В качестве альтернативы некоторые исследовательские системы использовали только пару антенных элементов и разность фаз прибытия для вычисления направления прибытия эхо-сигналов (известную как фазовая интерферометрия и похожую по концепции на интерферометрию со сверхдлинной базой, используемую в астрономии).
Для некоторых типов передатчиков необходимо выполнить некоторую специфическую для передатчика обработку сигнала перед обработкой кросс-корреляции. Это может включать высококачественную аналоговую полосовую фильтрацию сигнала, выравнивание канала для улучшения качества опорного сигнала, удаление нежелательных структур в цифровых сигналах для улучшения функции неоднозначности радара или даже полную реконструкцию опорного сигнала из полученного цифрового сигнала.
Основным ограничением диапазона обнаружения для большинства пассивных радиолокационных систем является отношение сигнал/помеха из-за большого и постоянного прямого сигнала, полученного от передатчика. Чтобы устранить это, можно использовать адаптивный фильтр для удаления прямого сигнала в процессе, аналогичном активному шумоподавлению . Этот шаг необходим для того, чтобы гарантировать, что боковые лепестки дальности/Доплера прямого сигнала не маскируют меньшие эхо-сигналы на последующем этапе кросс-корреляции.
В некоторых конкретных случаях прямые помехи не являются ограничивающим фактором, поскольку передатчик находится за горизонтом или скрыт рельефом местности (например, в случае с радаром хребта Манасташ, архив 2002-12-05 на Wayback Machine ), но это скорее исключение, чем правило, поскольку передатчик обычно должен находиться в пределах прямой видимости приемника, чтобы обеспечить хорошее покрытие на малых высотах.
Ключевым этапом обработки в пассивном радаре является кросс-корреляция . Этот этап действует как согласованный фильтр , а также обеспечивает оценки бистатического диапазона и бистатического доплеровского сдвига каждого целевого эха. Большинство аналоговых и цифровых вещательных сигналов по своей природе являются шумоподобными, и, как следствие, они, как правило, коррелируют только с самими собой. Это представляет проблему для движущихся целей, поскольку доплеровский сдвиг, наложенный на эхо, означает, что он не будет коррелировать с прямым сигналом от передатчика. В результате обработка кросс-корреляции должна реализовывать банк согласованных фильтров, каждый из которых соответствует разному доплеровскому сдвигу цели. Обычно используются эффективные реализации обработки кросс-корреляции на основе дискретного преобразования Фурье , в частности, для сигналов OFDM . [7] Коэффициент усиления обработки сигнала обычно равен произведению времени на ширину полосы пропускания, BT, где B — ширина полосы пропускания формы сигнала, а T — длина интегрируемой последовательности сигнала. Коэффициент усиления 50 дБ не является редкостью. Увеличенное время интегрирования ограничивается движением цели и ее размытием по дальности и доплеровским эффектом в течение периода интегрирования.
Цели обнаруживаются на поверхности кросс-корреляции путем применения адаптивного порога и объявления всех возвратов выше этой поверхности целевыми. Обычно используется стандартный алгоритм усреднения ячеек с постоянным коэффициентом ложных тревог (CFAR).
Этап отслеживания линии относится к отслеживанию целевых возвратов от отдельных целей с течением времени в пространстве дальности-Доплера, создаваемом обработкой кросс-корреляции. Обычно используется стандартный фильтр Калмана . Большинство ложных тревог отклоняются на этом этапе обработки.
В простой бистатической конфигурации (один передатчик и один приемник) можно определить местоположение цели, просто вычислив точку пересечения пеленга с эллипсом бистатической дальности . Однако ошибки в пеленге и дальности, как правило, делают этот подход довольно неточным. Лучшим подходом является оценка состояния цели (местоположение, направление и скорость) из полного набора измерений бистатической дальности, пеленга и Доплера с использованием нелинейного фильтра , такого как расширенный или неароматизированный фильтр Калмана .
При использовании нескольких передатчиков цель может быть потенциально обнаружена каждым передатчиком. Возврат от этой цели будет появляться на разном бистатическом диапазоне и доплеровском сдвиге с каждым передатчиком, поэтому необходимо определить, какие возвраты цели от одного передатчика соответствуют возвратам от других передатчиков. Связав эти возвраты, точка, в которой пересекаются эллипсы бистатического диапазона от каждого передатчика, является местоположением цели. Цель может быть определена гораздо точнее таким образом, чем полагаясь на пересечение (неточного) измерения пеленга с одним эллипсом диапазона. Опять же, оптимальный подход заключается в объединении измерений от каждого передатчика с использованием нелинейного фильтра, такого как расширенный или неароматизированный фильтр Калмана.
Приведенное выше описание предполагает, что форма волны используемого передатчика обладает пригодной функцией неоднозначности радара , и, следовательно, кросс-корреляция дает полезный результат. Некоторые широковещательные сигналы, такие как аналоговое телевидение, содержат структуру во временной области , которая дает крайне неоднозначный или неточный результат при кросс-корреляции. В этом случае описанная выше обработка неэффективна. Однако, если сигнал содержит компонент непрерывной волны (CW), такой как сильный тон несущей , то можно обнаруживать и отслеживать цели альтернативным способом. Со временем движущиеся цели будут накладывать изменяющийся доплеровский сдвиг и направление прибытия на тон CW, который характерен для местоположения, скорости и направления цели. Поэтому можно использовать нелинейный оценщик для оценки состояния цели по временной истории доплеровских и пеленговых измерений. Была опубликована работа, которая продемонстрировала осуществимость этого подхода для отслеживания самолетов с использованием носителя зрения аналоговых телевизионных сигналов. Однако инициирование пути происходит медленно и сложно, поэтому использование узкополосных сигналов, вероятно, лучше рассматривать как дополнение к использованию осветителей с лучшими поверхностями неоднозначности.
Пассивные радиолокационные характеристики сопоставимы с обычными радиолокационными системами ближнего и среднего радиуса действия. Дальность обнаружения можно определить с помощью стандартного уравнения радара , но при этом необходимо обеспечить надлежащий учет усиления обработки и ограничений внешнего шума. Кроме того, в отличие от обычного радара, дальность обнаружения также является функцией геометрии развертывания, поскольку расстояние приемника от передатчика определяет уровень внешнего шума, на фоне которого должны быть обнаружены цели. Однако, как правило, разумно ожидать, что пассивный радар, использующий FM-радиостанции, достигнет дальности обнаружения до 150 км, для мощных аналоговых телевизионных и американских HDTV-станций — дальности обнаружения более 300 км, а для маломощных цифровых сигналов (таких как сотовый телефон и DAB или DVB-T) — дальности обнаружения в несколько десятков километров.
Точность пассивного радара сильно зависит от геометрии развертывания и количества используемых приемников и передатчиков. Системы, использующие только один передатчик и один приемник, будут, как правило, гораздо менее точными, чем обычные обзорные радары, в то время как мультистатические радары способны достигать несколько большей точности. Большинство пассивных радаров являются двумерными, но измерения высоты возможны, когда развертывание таково, что существуют значительные различия в высотах передатчиков, приемника и цели, что снижает эффекты геометрического разбавления точности ( GDOP ).
Сторонники технологии называют следующие преимущества:
Противники технологии называют следующие недостатки:
.jpg/1280px-Hensoldt_Twinvis,_ILA_2018,_Schonefeld_(1X7A6904).jpg)
Пассивные радарные системы в настоящее время [ когда? ] разрабатываются в нескольких коммерческих организациях. Среди них публично анонсированные системы включают:
Существует также несколько академических пассивных радиолокационных систем:
Исследования пассивных радиолокационных систем вызывают растущий интерес во всем мире, при этом различные публикации с открытым исходным кодом показывают активные исследования и разработки в Соединенных Штатах (включая работу в научно-исследовательских лабораториях ВВС, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon , Вашингтонском университете , Georgia Tech / Georgia Tech Research Institute и Иллинойском университете ), в Агентстве C3 НАТО в Нидерландах, в Великобритании (в Roke Manor Research , QinetiQ , Бирмингемском университете, Лондонском университетском колледже и BAE Systems ), Франции (включая правительственные лаборатории ONERA ), Германии (включая лаборатории Fraunhofer-FHR), Польше (включая Варшавский технологический университет ). Также ведутся активные исследования этой технологии в нескольких правительствах или университетских лабораториях в Китае , Иране , России и Южной Африке . Недорогой характер системы делает технологию особенно привлекательной для университетских лабораторий и других агентств с ограниченным бюджетом, поскольку ключевыми требованиями являются меньшая аппаратная часть и большая сложность алгоритмов и вычислительная мощность.
В настоящее время многие исследования сосредоточены на использовании современных цифровых вещательных сигналов. Американский стандарт HDTV особенно хорош для пассивных радаров, имея превосходную функцию неоднозначности и очень мощные передатчики. Стандарт цифрового телевидения DVB-T (и связанный с ним стандарт цифрового аудио DAB ), используемый в большинстве стран остального мира, более сложен — мощности передатчиков ниже, и многие сети настроены в режиме «одночастотной сети», в котором все передатчики синхронизированы по времени и частоте. Без тщательной обработки конечный результат для пассивных радаров похож на глушилки с несколькими ретрансляторами .
Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Технологического института Джорджии при поддержке DARPA и Агентства НАТО C3 показали, что можно построить синтетическое изображение апертуры цели самолета с помощью пассивного мультистатического радара . Используя несколько передатчиков на разных частотах и в разных местах, можно построить плотный набор данных в пространстве Фурье для заданной цели. Реконструкция изображения цели может быть выполнена с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT). Герман, Мулен, Эрман и Лантерман опубликовали отчеты, основанные на моделированных данных, которые предполагают, что низкочастотные пассивные радары (использующие радиопередачи FM) могут обеспечить классификацию цели в дополнение к информации об отслеживании. Эти системы автоматического распознавания целей используют полученную мощность для оценки ЭПР цели. Оценка ЭПР при различных углах обзора, когда цель пересекает мультистатическую систему, сравнивается с библиотекой моделей ЭПР вероятных целей для определения классификации цели. В последней работе Эрман и Лантерман реализовали модель скоординированного полета для дальнейшего уточнения оценки ЭПР. [20]
Исследователи из Вашингтонского университета используют распределенный пассивный радар, использующий FM-вещание для изучения ионосферной турбулентности на высоте 100 км и в диапазоне до 1200 км. [21] Мейер и Сар продемонстрировали интерферометрические изображения ионосферной турбулентности с угловым разрешением 0,1 градуса, а также разрешили полный, неналоженный доплеровский спектр мощности турбулентности. [22]
Silentium Defence запустила первый действующий наземный пассивный радар, специально разработанный для отслеживания LEO. Обсерватория Oculus находится в Суон-Рич, Южная Австралия, и планирует масштабировать технологию по всему миру. У Silentium есть ряд продуктов, которые поддерживают как тактические, так и стратегические приложения, начиная от обнаружения дронов, морского наблюдения и заканчивая поиском в воздухе и космосе на больших расстояниях. Университет Стратклайда разрабатывает орбитальную систему для обнаружения и отслеживания космического мусора от небольших фрагментов до неактивных спутников. Работа, поддерживаемая британским и европейским космическими агентствами, является результатом сотрудничества между Центром передового опыта в области аэрокосмической техники и Центром обработки сигналов и изображений в Университете Стратклайда. Клементе и Василе продемонстрировали техническую осуществимость обнаружения небольших фрагментов мусора с использованием ряда существующих осветителей и приемника на низкой околоземной орбите. [23] [24] [25]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )