Пассивный радар (также называемый паразитным радаром , пассивным когерентным радаром , пассивным наблюдением и пассивным скрытым радаром ) — это класс радиолокационных систем, которые обнаруживают и отслеживают объекты путем обработки отражений от несотрудничающих источников освещения в окружающей среде, таких как коммерческие сигналы вещания и связи. Это частный случай бистатического радара – пассивного бистатического радара ( PBR ) – который представляет собой широкий тип, включающий также использование кооперативных и некооперативных радиолокационных передатчиков. [1] [2] [3]
Обычные радиолокационные системы состоят из совмещенных передатчика и приемника , которые обычно используют общую антенну для передачи и приема. Передается импульсный сигнал, и время, необходимое импульсу для прохождения до объекта и обратно, позволяет определить дальность до объекта.
В пассивной радиолокационной системе нет специального 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. Они позволяют рассчитать местоположение, курс и скорость объекта. В некоторых случаях можно использовать несколько передатчиков и/или приемников для выполнения нескольких независимых измерений бистатической дальности, доплеровского сдвига и пеленга и, следовательно, значительно улучшить окончательную точность пути.
Термин «пассивный радар» иногда используется неправильно для описания тех пассивных датчиков, которые обнаруживают и отслеживают самолеты по их радиочастотным излучениям (например, излучениям радаров, средств связи или транспондеров ). Однако эти системы не используют отраженную энергию и, следовательно, их более точно можно назвать электронными средствами поддержки или противорадиационными системами. Хорошо известные примеры включают чешские системы «ТАМАРА» и «ВЕРА» , а также украинскую систему «Кольчуга» .
Концепция пассивного радиолокационного обнаружения с использованием отраженных радиосигналов окружающей среды, исходящих от удаленного передатчика, не нова. Первые радиолокационные эксперименты в Великобритании в 1935 году, проведенные Робертом Уотсоном-Ваттом, продемонстрировали принцип работы радара, обнаружив бомбардировщик Хэндли Пейдж Хейфорд на расстоянии 12 км с помощью коротковолнового передатчика BBC в Давентри .
Все ранние радары были 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 действия (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 А».
Немцы использовали пассивную бистатическую систему во время Второй мировой войны . Эта система, получившая название Klein Heidelberg Parasit или Heidelberg-Gerät , была развернута на семи объектах (Лиммен, Остворне, Остенде, Булонь, Абвиль, Кап-д'Антифер и Шербур) и работала как бистатические приемники, используя британские радары Chain Home в качестве -кооперативные осветители для обнаружения самолетов над южной частью Северного моря.
Бистатические радиолокационные системы уступили место моностатическим системам с разработкой дуплексера в 1936 году. Моностатические системы было намного проще реализовать, поскольку они устраняли геометрические сложности, возникающие из-за отдельных мест передатчика и приемника. Кроме того, благодаря разработке более мелких компонентов стало возможным применение на самолетах и кораблях. В начале 1950-х годов бистатические системы снова стали рассматриваться, когда были открыты некоторые интересные свойства рассеянной радиолокационной энергии; действительно, термин «бистатический» впервые был использован Сигелом в 1955 году в его отчете, описывающем эти свойства. [4]
Одной из самых крупных и сложных пассивных радиолокационных систем была британская RX12874 , или «Винкль». Уинкль был задействован в 1960-х годах в ответ на появление карцинотрона , устройства подавления радаров , которое было настолько мощным, что, казалось, делало радары дальнего действия бесполезными. Уинкль мог улавливать передачи карцинотрона с той же точностью, что и обычный радар, позволяя отслеживать самолет-постановщик помех и атаковать его на расстоянии сотен миль. Кроме того, указывая местоположение источника помех, другие радары в сети Linesman/Mediator могут снизить чувствительность своих приемников, когда они направлены в этом направлении, тем самым уменьшая количество принимаемых помех, когда они направлены рядом с местом расположения источника помех.
Рост дешевой вычислительной мощности и технологий цифровых приемников в 1980-х годах привел к возрождению интереса к пассивным радиолокационным технологиям. Впервые это позволило разработчикам применить методы цифровой обработки сигналов для использования различных широковещательных сигналов и использовать методы взаимной корреляции для достижения достаточного усиления обработки сигнала для обнаружения целей и оценки их бистатической дальности 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, когда был коммерческий запуск системы Silent Sentry, которая использовала FM-радио и аналоговые телевизионные передатчики. [5]
Разработаны пассивные радиолокационные системы, использующие следующие источники освещения:
Спутниковые сигналы, как правило, оказались более трудными для пассивного использования радаром либо потому, что мощность слишком мала, либо потому, что орбиты спутников таковы, что освещение слишком редкое. Однако за последние годы в этой области произошли значительные изменения. Возможным исключением из этого правила является использование спутниковых радиолокационных и спутниковых радиосистем . В 2011 году исследователи Баротт и Бутка из Университета аэронавтики Эмбри-Риддла объявили о результатах, подтверждающих успех использования XM Radio для обнаружения самолетов с помощью недорогой наземной станции. [6]
В обычной радиолокационной системе точно известно время передачи импульса и форма передаваемого сигнала. 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 передаваемой формы сигнала. Пассивный радар обычно использует следующие этапы обработки:
Более подробно они описаны в разделах ниже.
Пассивная радиолокационная система должна обнаруживать очень малые отражения целей при наличии очень сильных и непрерывных помех. Это контрастирует с обычным радаром, который прослушивает эхо в периоды тишины между передачей каждого импульса. В результате приемник должен иметь низкий коэффициент шума , высокий динамический диапазон и высокую линейность . Несмотря на это, принимаемые эхо-сигналы обычно значительно ниже минимального уровня шума, и система имеет тенденцию быть ограничена внешним шумом (из-за приема самого передаваемого сигнала, а также приема других удаленных внутриполосных передатчиков). В пассивных радиолокационных системах используются цифровые приемные системы, которые выдают оцифрованный дискретизированный сигнал .
В большинстве пассивных радиолокационных систем используются простые антенные решетки с несколькими антенными элементами и оцифровкой на уровне элементов . Это позволяет рассчитывать направление прихода эхо-сигналов с использованием стандартных методов формирования диаграммы направленности радара , таких как амплитудный моноимпульс с использованием серии фиксированных перекрывающихся лучей или более сложное адаптивное формирование диаграммы направленности . В качестве альтернативы некоторые исследовательские системы использовали только пару антенных элементов и разность фаз прихода для расчета направления прихода эхо-сигналов (известная как фазовая интерферометрия и аналогичная по концепции интерферометрии со сверхдлинной базой , используемой в астрономии).
Для некоторых типов передатчиков перед обработкой взаимной корреляции необходимо выполнить определенную обработку сигнала, специфичную для передатчика. Это может включать высококачественную аналоговую полосовую фильтрацию сигнала, коррекцию канала для улучшения качества опорного сигнала, удаление нежелательных структур в цифровых сигналах для улучшения функции неоднозначности радара или даже полную реконструкцию опорного сигнала из принятого цифрового сигнала. .
Основным ограничением дальности обнаружения для большинства пассивных радиолокационных систем является соотношение сигнал/помеха из-за большого и постоянного прямого сигнала, получаемого от передатчика. Чтобы устранить это, можно использовать адаптивный фильтр для удаления прямого сигнала в процессе, аналогичном активному контролю шума . Этот шаг необходим для обеспечения того, чтобы боковые лепестки дальности/допплера прямого сигнала не маскировали меньшие эхо-сигналы на последующем этапе взаимной корреляции.
В некоторых конкретных случаях прямые помехи не являются ограничивающим фактором из-за того, что передатчик находится за горизонтом или скрыт за местностью (например, в случае с радаром Манасташ-Ридж, архивировано 5 декабря 2002 г. на Wayback Machine ), но это это скорее исключение, чем правило, поскольку передатчик обычно должен находиться в пределах прямой видимости приемника, чтобы обеспечить хорошее покрытие на низких уровнях.
Ключевым этапом обработки в пассивном радаре является взаимная корреляция . Этот шаг действует как согласованный фильтр , а также обеспечивает оценки бистатического диапазона и бистатического доплеровского сдвига каждого целевого эхо-сигнала. Большинство сигналов аналогового и цифрового вещания по своей природе шумоподобны и, как следствие, имеют тенденцию коррелировать только сами с собой. Это представляет проблему с движущимися целями, поскольку доплеровский сдвиг , налагаемый на эхо-сигнал, означает, что он не будет коррелировать с прямым сигналом от передатчика. В результате обработка взаимной корреляции должна реализовать банк согласованных фильтров, каждый из которых соответствует различному целевому доплеровскому сдвигу. Обычно используются эффективные реализации взаимной корреляционной обработки на основе дискретного преобразования Фурье , в частности, для сигналов OFDM . [7] Выигрыш от обработки сигнала обычно равен произведению времени на полосу пропускания, BT, где B — полоса пропускания сигнала, а T — длина интегрируемой последовательности сигналов. Прирост в 50 дБ не является редкостью. Увеличенное время интегрирования ограничено движением цели, ее размытием по дальности и допплеровским эффектом в течение периода интегрирования.
Цели обнаруживаются на поверхности взаимной корреляции путем применения адаптивного порога и объявления всех возвратов выше этой поверхности целевыми. Обычно используется стандартный алгоритм усреднения постоянной частоты ложных срабатываний (CFAR).
Этап отслеживания линии относится к отслеживанию целевых возвратов от отдельных целей с течением времени в доплеровском пространстве диапазона, полученном в результате обработки взаимной 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 рассчитав точку пересечения пеленга с эллипсом бистатической дальности . Однако ошибки в пеленге и дальности делают этот подход довольно неточным. Лучшим подходом является оценка состояния цели (местоположение, курс и скорость) по полному набору измерений бистатической дальности, пеленга и доплеровского сигнала с использованием нелинейного фильтра , такого как расширенный фильтр Калмана или фильтр Калмана без запаха .
При использовании нескольких передатчиков цель потенциально может быть обнаружена каждым передатчиком. Возврат от этой цели будет проявляться в разном бистатическом диапазоне и доплеровском сдвиге для каждого передатчика, поэтому необходимо определить, какие отраженные сигналы от цели от одного передатчика соответствуют сигналам от других передатчиков. После сопоставления этих отражений точка, в которой пересекаются эллипсы бистатической дальности от каждого передатчика, является местоположением цели. Таким способом цель можно определить гораздо точнее, чем полагаясь на пересечение (неточного) измерения пеленга с одним эллипсом дальности. Опять же, оптимальным подходом является объединение измерений каждого передатчика с использованием нелинейного фильтра, такого как расширенный фильтр Калмана или фильтр Калмана без запаха.
В приведенном выше описании предполагается, что форма сигнала используемого передатчика обладает полезной функцией радиолокационной неоднозначности и, следовательно, взаимная корреляция дает полезный результат. Некоторые сигналы вещания, такие как аналоговое телевидение, содержат структуру во временной области , которая дает весьма неоднозначный или неточный результат при взаимной корреляции. В этом случае описанная выше обработка неэффективна. Однако, если сигнал содержит компонент непрерывной волны (CW), например сильный тон несущей , то можно обнаруживать и отслеживать цели альтернативным способом. Со временем движущиеся цели будут вызывать изменение доплеровского сдвига и направления прибытия CW-тона, что характерно для местоположения, скорости и направления цели. Поэтому можно использовать нелинейный оценщик для оценки состояния цели на основе временной истории доплеровских измерений и измерений пеленга. Опубликованы работы, продемонстрировавшие возможность применения такого подхода для слежения за самолетами с использованием носителя видеосигналов аналогового телевидения . Однако инициирование трека происходит медленно и сложно, поэтому использование узкополосных сигналов, вероятно, лучше всего 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 может быть определена с использованием стандартного уравнения радиолокации , но при этом необходимо обеспечить надлежащий учет коэффициента усиления обработки и ограничений внешнего шума. Кроме того, в отличие от обычного радара, дальность обнаружения также зависит от геометрии размещения, поскольку расстояние приемника от передатчика определяет уровень внешнего шума, на фоне которого необходимо обнаруживать цели. Однако, как правило, разумно ожидать, что пассивный радар, использующий FM-радиостанции, достигнет дальности обнаружения до 150 км, мощные аналоговые телевизионные станции и станции HDTV США достигнут дальности обнаружения более 300 км, а для цифровые сигналы меньшей мощности (например, сотовый телефон и DAB или DVB-T) для достижения дальности обнаружения в несколько десятков километров.
Точность пассивного радара во многом зависит от геометрии развертывания и количества используемых приемников и передатчиков. Системы, использующие только один передатчик и один приемник, будут иметь гораздо меньшую точность, 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 эффект геометрического снижения точности ( GDOP ).
Сторонники технологии отмечают следующие преимущества:
Противники технологии называют следующие недостатки:
.jpg/1280px-Hensoldt_Twinvis,_ILA_2018,_Schonefeld_(1X7A6904).jpg)
Пассивные радиолокационные системы в настоящее время [ когда? ] в разработке в нескольких коммерческих организациях. Из них системы, о которых было публично объявлено, включают:
Также существует несколько академических пассивных радиолокационных систем:
Исследования пассивных радиолокационных систем вызывают растущий интерес во всем мире, при этом различные публикации в открытых источниках показывают активные исследования и разработки в Соединенных Штатах (включая работу в исследовательских лабораториях ВВС, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon , Вашингтонском университете , Технологический институт Джорджии / Технологический научно-исследовательский институт Джорджии и Университет Иллинойса ), в Агентстве НАТО C3 в Нидерландах, в Великобритании (в Roke Manor Research , QinetiQ , Университете Бирмингема, Университетском колледже Лондона и BAE Systems ), Франции (включая правительственные лаборатории ONERA ), Германия (включая лаборатории Fraunhofer-FHR), Польша (включая Варшавский технологический университет ). Эта технология также активно исследуется в ряде правительств и университетских лабораторий Китая , Ирана , России и Южной Африки . Низкая стоимость системы делает эту технологию особенно привлекательной для университетских лабораторий и других учреждений с ограниченным бюджетом, поскольку ключевыми требованиями являются меньшее количество аппаратного обеспечения и большая сложность алгоритмов и вычислительная мощность.
Многие текущие исследования в настоящее время сосредоточены на использовании современных сигналов цифрового вещания. Стандарт HDTV США особенно хорош для пассивных радаров, поскольку он имеет отличную функцию неоднозначности и передатчики очень высокой мощности. Стандарт цифрового телевидения DVB-T (и связанный с ним стандарт цифрового аудио DAB ), используемый в большей части остального мира, более сложен: мощность передатчика ниже, и многие сети настроены в режиме «одночастотной сети», в котором все передатчики синхронизированы по времени и частоте. Без тщательной обработки конечный результат для пассивного радара подобен глушению нескольких ретрансляторов .
Исследователи Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и Технологического института Джорджии при поддержке DARPA и агентства НАТО C3 показали, что можно построить синтезированное апертурное изображение авиационной цели с помощью пассивного мультистатического радара . Используя несколько передатчиков на разных частотах и в разных местах, для заданной цели можно построить плотный набор данных в пространстве Фурье. Реконструкция изображения цели может быть осуществлена с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Херман, Мулен, Эрман и Лантерман опубликовали отчеты, основанные на смоделированных данных, которые предполагают, что низкочастотные пассивные радары (использующие FM-радиопередачи) могут обеспечивать классификацию целей в дополнение к информации слежения. Эти системы автоматического распознавания целей используют полученную мощность для оценки ЭПР цели. Оценка RCS под различными углами обзора, когда цель пересекает мультистатическую систему, сравнивается с библиотекой моделей RCS вероятных целей для определения классификации целей. В своей последней работе Эрман и Лантерман реализовали скоординированную модель полета для дальнейшего уточнения оценки RCS. [21]
Исследователи из Вашингтонского университета используют распределенный пассивный радар, использующий FM-передачи для изучения ионосферной турбулентности на высоте 100 км и дальности до 1200 км. [22] Мейер и Сар продемонстрировали интерферометрические изображения ионосферной турбулентности с угловым разрешением 0,1 градуса, а также разрешили полный, неалиизированный доплеровский спектр мощности турбулентности. [23]
Silentium Defense выпустила первый действующий наземный пассивный радар, специально разработанный для отслеживания НОО. Обсерватория Oculus расположена в Суон-Рич, Южная Австралия , и планирует масштабировать эту технологию по всему миру. Silentium предлагает ряд продуктов, которые поддерживают как тактические, так и стратегические приложения, начиная от обнаружения дронов, морского наблюдения и заканчивая поиском в воздухе и космосе на большие расстояния. Университет Стратклайда разрабатывает орбитальную систему для обнаружения и отслеживания космического мусора, от небольших фрагментов до неактивных спутников. Работа, поддерживаемая космическими агентствами Великобритании и Европы, является результатом сотрудничества Аэрокосмического центра передового опыта и Центра обработки сигналов и изображений Университета Стратклайда. Клементе и Василе продемонстрировали техническую возможность обнаружения мелких обломков с использованием ряда существующих осветителей и приемника на низкой околоземной орбите. [24] [25] [26]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )