Пассивный радар - Passive radar - Wikipedia

Пассивный радар системы (также называемые пассивное связное расположение, системы пассивного наблюдения, и пассивный скрытый радар) охватывают класс радар системы, которые обнаруживают и отслеживают объекты, обрабатывая отражения от несовместимых источников освещения в окружающей среде, таких как коммерческое вещание и сигналы связи. Это частный случай бистатический радар, последнее также включает использование кооперативных и некооперативных радиолокационных передатчиков.

Вступление

Обычные радиолокационные системы включают в себя размещенный передатчик и приемник, которые обычно имеют общие антенна передавать и получать. Передается импульсный сигнал, и время, необходимое для прохождения импульса до объекта и обратно, позволяет определить дальность действия объекта.

В пассивной радиолокационной системе нет специального передатчика. Вместо этого приемник использует сторонние передатчики в окружающей среде и измеряет разницу во времени прихода между сигналом, поступающим непосредственно от передатчика, и сигналом, приходящим через отражение от объекта. Это позволяет бистатический диапазон объекта, подлежащего определению. В дополнение к бистатическому диапазону пассивный радар обычно также измеряет бистатический доплеровский сдвиг эхо, а также направление его прихода. Они позволяют рассчитать местоположение, направление и скорость объекта. В некоторых случаях можно использовать несколько передатчиков и / или приемников для выполнения нескольких независимых измерений бистатического диапазона, доплеровского пеленга и пеленга и, следовательно, значительного повышения конечной точности трека.

Термин «пассивный радар» иногда используется неправильно для описания тех пассивных датчиков, которые обнаруживают и отслеживают воздушные суда по их радиочастотному излучению (например, радар, средства связи или транспондер выбросы). Однако эти системы не используют отраженную энергию и, следовательно, более точно описываются как ESM системы. Хорошо известные примеры включают Чешский ТАМАРА и ВЕРА системы и украинец Кольчуга система.

История

Концепция пассивного радиолокационного обнаружения с использованием отраженных окружающих радиосигналов, исходящих от удаленного передатчика, не нова. Первые радарные эксперименты в объединенное Королевство в 1935 г. Роберт Уотсон-Ватт продемонстрировал принцип действия радара, обнаружив Хэндли Пейдж Хейфорд бомбардировщик на дальность 12 км с использованием BBC коротковолновый передатчик в Давентри.

Ранние радары были все бистатическими, потому что не была разработана технология, позволяющая переключать антенну из режима передачи в режим приема. Таким образом, многие страны использовали бистатические системы в сетях ПВО в начале 1930-х годов. Например, англичане развернули СЕТЬ ДОМАШНИЙ система; в Французский использовал бистатический Непрерывная волна (CW) радар в системе «заграждение» (или «барьер»); в Советский союз развернул бистатическую систему CW под названием RUS-1; а японцы разработали бистатический радар непрерывного действия под названием «Тип А».

Немцы использовали пассивную бистатическую систему во время Вторая Мировая Война. Эта система, названная Кляйн Гейдельберг Паразит или же Heidelberg-Gerät, был развернут на семи объектах (Лиммен, Оостворн, Остенде, Булонь, Абвиль, Кап д'Антифер и Шербур) и работал как бистатические приемники с использованием британских Сеть Главная радары как некооперативные осветители для обнаружения самолетов над южной частью Северного моря.

Бистатические радиолокационные системы уступили место моностатическим системам с развитием синхронизатор в 1936 году. Моностатические системы было намного проще реализовать, поскольку они устраняли геометрические сложности, вносимые отдельными узлами передатчика и приемника. Кроме того, стало возможным применение в самолетах и ​​кораблях, поскольку были разработаны более мелкие компоненты. В начале 1950-х годов бистатические системы были снова рассмотрены, 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.[1]

Одной из самых крупных и сложных пассивных радиолокационных систем была британская RX12874, или "Винкль". Винкль был развернут в 1960-х годах в ответ на введение карцинотрон, а глушитель радаров это было настолько мощно, что казалось, что радары дальнего действия бесполезны. Винкль мог точно отслеживать радиопередачи карцинотрона с той же точностью, что и обычный радар, позволяя отслеживать и атаковать самолет-постановщик помех на расстоянии в сотни миль. Кроме того, указав местоположение постановщика помех, другие радары в Линейный судья / Посредник сеть может снизить чувствительность своих приемников, когда они направлены в этом направлении, тем самым уменьшая количество помех, получаемых при наведении рядом с местоположением генератора помех.

Рост дешевой вычислительной мощности и технологии цифровых приемников в 1980-х годах привел к возрождению интереса к технологии пассивных радаров. Впервые это позволило дизайнерам применять цифровая обработка сигналов методы использования разнообразных сигналов вещания и использования взаимная корреляция методы 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 Lockheed-Martin Mission Systems в 1998 году, когда была запущена коммерческая система Silent Sentry, в которой использовалась FM радио и аналоговые телевизионные передатчики.[2]

Типовые осветители

Были разработаны пассивные радиолокационные системы, которые используют следующие источники освещения:

Спутниковые сигналы обычно оказываются неадекватными для использования пассивных радаров либо из-за слишком низкой мощности, либо из-за того, что орбиты спутников таковы, что освещение слишком редко. Возможным исключением из этого правила является использование спутниковых радаров и спутниковое радио системы. В 2011 году исследователи Баротт и Бутка из Эмбри-Загадка Авиационный университет объявил о результатах, подтверждающих успех использования XM Radio для обнаружения самолетов с помощью недорогой наземной станции.[нужна цитата ] https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6096159

Принцип

В обычной радиолокационной системе время передачи импульса и форма передаваемого сигнала точно известны. Это позволяет легко рассчитать расстояние до объекта и согласованный фильтр использоваться для достижения оптимального соотношение сигнал шум в приемнике. Пассивный радар не имеет этой информации напрямую и, следовательно, должен использовать выделенный канал приемника (известный как «опорный канал») для отслеживания каждого используемого передатчика и динамически. образец переданная форма волны. Пассивный радар обычно использует следующие этапы обработки:

  • Прием прямого сигнала от передатчика (ов) и из зоны наблюдения на специализированных малошумящих линейных цифровых приемниках
  • Цифровой формирование луча для определения направления прихода сигналов и пространственного подавления сильных внутриполосных помех
  • Адаптивная фильтрация для отмены любых нежелательных прямых возвратов сигнала в канале (ах) наблюдения
  • Согласование сигнала передатчика
  • Взаимная корреляция опорный канал с каналами наблюдения для определения объекта бистатического диапазона и доплеровского
  • Обнаружение с использованием постоянная частота ложных тревог (CFAR) схема
  • Ассоциации и отслеживание объекта возвращается в диапазоне / доплеровском пространстве, известном как "отслеживание линии"
  • Объединение и объединение линейных треков от каждого передатчика для получения окончательной оценки местоположения, направления и скорости объекта.

Они описаны более подробно в разделах ниже.

Типовая схема обработки пассивного радиолокационного сигнала

Система приемника

Пассивная радиолокационная система должна обнаруживать очень малые отражения от цели при наличии очень сильных непрерывных помех. Это контрастирует с обычным радаром, который отслеживает эхо в периоды тишины между каждой передачей импульсов. В результате очень важно, чтобы приемник имел низкий коэффициент шума, высоко динамический диапазон и высокий линейность. Несмотря на это, принятые эхо-сигналы обычно значительно ниже минимального уровня шума, и система имеет тенденцию к ограничению внешнего шума (из-за приема самого передаваемого сигнала, а также приема других удаленных внутриполосных передатчиков). Использование пассивных радиолокационных систем цифровой ресивер системы, которые выводят оцифрованный, отобранный сигнал.

Цифровое формирование луча

Большинство пассивных радарных систем используют простые антенные решетки с несколькими антенна элементы и уровень элементов оцифровка. Это позволяет рассчитать направление прихода эхо-сигналов с помощью стандартного радара. формирование луча методы, такие как амплитудный моноимпульс с использованием ряда фиксированных перекрывающихся балок или более сложных адаптивное формирование луча. В качестве альтернативы, некоторые исследовательские системы использовали только пару антенных элементов и разность фаз прихода для расчета направления прихода эхо-сигналов (известное как фазовая интерферометрия и похож по концепции на Интерферометрия с очень длинной базой используется в астрономии).

Преобразование сигнала

Для некоторых типов передатчиков необходимо выполнить некоторую специфическую для передатчика обработку сигнала перед обработкой взаимной корреляции. Это может включать в себя высокое качестве аналоговой фильтрации сигнала полосового, выравнивание канала, чтобы улучшить качество опорного сигнала, удаление нежелательных структур в цифровых сигналах, чтобы улучшить функция радиолокационной неоднозначности или даже полная реконструкция опорного сигнала из принятого цифрового сигнала.

Адаптивная фильтрация

Основным ограничением дальности обнаружения для большинства пассивных радарных систем является отношение сигнал / помеха из-за большого и постоянного прямого сигнала, принимаемого от передатчика. Чтобы удалить это, адаптивный фильтр может использоваться для удаления прямого сигнала в процессе, аналогичном активный контроль шума. Этот шаг важен для гарантии того, что боковые лепестки дальности / доплеровского сдвига прямого сигнала не маскируют более мелкие эхо-сигналы на последующей стадии взаимной корреляции.

В некоторых конкретных случаях прямая помеха не является ограничивающим фактором из-за того, что передатчик находится за горизонтом или не виден из-за местности (например, с Манасташ Ридж Радар ), но это скорее исключение, чем правило, поскольку передатчик обычно должен находиться в пределах Поле зрения приемника, чтобы обеспечить хорошее покрытие на низких уровнях.

Обработка взаимной корреляции

Ключевым этапом обработки в пассивном радаре является взаимная корреляция. Этот шаг действует как согласованный фильтр а также предоставляет оценки бистатического диапазона и бистатического доплеровского сдвига каждого целевого эхо-сигнала. Большинство аналоговых и цифровых широковещательных сигналов имеют шумоподобный характер и, как следствие, имеют тенденцию коррелировать только сами с собой. Это представляет проблему с движущимися целями, поскольку Доплеровский сдвиг наложенный на эхо-сигнал означает, что он не будет коррелировать с прямым сигналом от передатчика. В результате обработка взаимной корреляции должна реализовывать банк согласованных фильтров, каждый из которых согласован с различным целевым доплеровским сдвигом. Эффективные реализации кросс-корреляционной обработки на основе дискретное преобразование Фурье обычно используются, в частности, для OFDM формы волны[3]. Выигрыш от обработки сигнала обычно равен произведению ширины полосы частот BT, где B - ширина полосы сигнала, а T - длина интегрируемой последовательности сигналов. Прирост 50дБ не редкость. Увеличенное время интегрирования ограничено движением цели и ее размытием по дальности и доплеровским искажением во время периода интегрирования.

Обнаружение цели

Цели обнаруживаются на поверхности взаимной корреляции путем применения адаптивного порога и объявления всех возвратов над этой поверхностью целями. Стандартное усреднение ячеек постоянная частота ложных тревог (CFAR) алгоритм обычно используется.

Отслеживание линии

Шаг слежения за линией относится к отслеживанию возвращаемых целей от отдельных целей во времени в пространстве доплеровского диапазона дальности, созданном обработкой взаимной корреляции. Стандарт Фильтр Калмана обычно используется. Большинство ложных срабатываний отклоняется на этом этапе обработки.

Связь треков и оценка состояния

В простой бистатической конфигурации (один передатчик и один приемник) можно определить местоположение цели, просто вычислив точку пересечения пеленга с бистатическим диапазоном. эллипс. 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 бистатического диапазона, пеленга и Доплера с использованием нелинейный фильтр, например, расширенный или без запаха Фильтр Калмана.

При использовании нескольких передатчиков цель потенциально может быть обнаружена каждым передатчиком. Возврат от этой цели будет появляться в разных бистатических диапазонах и доплеровском сдвиге для каждого передатчика, поэтому необходимо определить, какие отражения от цели от одного передатчика соответствуют таковым на других передатчиках. После связывания этих возвратов точка, в которой пересекаются бистатические эллипсы дальности от каждого передатчика, является местоположением цели. Таким образом, цель может быть обнаружена намного точнее, чем если полагаться на пересечение (неточного) измерения пеленга с одним эллипсом дальности. Опять же, оптимальный подход - объединить измерения от каждого передатчика с использованием нелинейного фильтра, такого как расширенный или неароматизированный фильтр Калмана.

Узкополосные и непрерывные источники освещения

В приведенном выше описании предполагается, что форма волны используемого передатчика имеет полезный функция радиолокационной неоднозначности и, следовательно, взаимная корреляция дает полезный результат. Некоторые широковещательные сигналы, например аналоговое телевидение, содержат структуру в область времени что дает очень неоднозначный или неточный результат при взаимной корреляции. В этом случае описанная выше обработка неэффективна. Если сигнал содержит непрерывная волна (CW) компонент, однако, такой как сильный несущий тон, то есть возможность обнаруживать и сопровождать цели альтернативным способом. Со временем движущиеся цели будут вызывать изменение доплеровского сдвига и направления прибытия на сигнал CW, который является характеристикой местоположения, скорости и направления цели. Следовательно, можно использовать нелинейный оценщик для оценки состояния цели на основе временной истории доплеровских измерений и измерений пеленга. Была опубликована работа, которая продемонстрировала осуществимость этого подхода для отслеживания самолетов с использованием носителя обзора аналоговое телевидение сигналы. Однако инициирование трека происходит медленно и сложно, и поэтому использование узкополосных сигналов, вероятно, лучше всего рассматривать как дополнение к использованию осветителей с улучшенными поверхностями неоднозначности.

Спектакль

Пассивные радиолокационные системы сравнимы с характеристиками обычных радиолокационных систем ближнего и среднего радиуса действия. Дальность обнаружения можно определить с помощью стандартного уравнение радара, но при этом учитывается коэффициент усиления обработки и ограничения внешнего шума. Кроме того, в отличие от обычного радара, дальность обнаружения также зависит от геометрии развертывания, поскольку расстояние от приемника до передатчика определяет уровень внешнего шума, на фоне которого должны быть обнаружены цели. Однако, как показывает практический опыт, разумно ожидать, что пассивный радар, использующий FM-радиостанции, достигнет дальности обнаружения до 150 км, для мощных аналоговых телевизионных станций и станций HDTV США - дальности обнаружения более 300 км и более низких питание цифровых сигналов (таких как 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 тенденцию быть 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 наблюдается значительный разброс высот передатчиков, приемника и цели, что снижает влияние геометрического снижения точности (GDOP ).

Преимущества и недостатки

Сторонники технологии называют следующие преимущества:

  • Более низкая стоимость закупок
  • Снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание благодаря отсутствию передатчика и движущихся частей
  • Скрытая работа, в том числе отсутствие необходимости в выделении частот
  • Физически малы и, следовательно, легко развертываются в местах, где обычные радары не могут быть установлены.
  • Быстрые обновления, обычно раз в секунду
  • Сложность заклинивания
  • Устойчивость к противорадиационные ракеты.

Противники технологии называют следующие недостатки:

  • Незрелость
  • Использование сторонних осветителей
  • Сложность развертывания
  • 1D / 2D операция, но возможно использование 2 разные системы для 3D (высота + дальность).

Коммерческие и академические системы

Бистатическая радиолокационная система пассивного приемника от NCSIST из Тайвань

Пассивные радиолокационные системы в настоящее время разрабатываются несколькими коммерческими организациями. Из них публично анонсированные системы включают:

  • Silent Sentry от Lockheed-Martin - использование FM-радиостанций [1][2][3][мертвая ссылка ]
  • CELLDAR от BAE Systems - использование базовых станций GSM [4][5]
  • Selex ES Пассивный радар Aulos [6]
  • Homeland Alerter от Thales Air Systems - система на основе FM-радио
  • Многодиапазонный пассивный радар Hensoldt [7]
  • ERA сообщает, что их будущая VERA-NG может включать в себя пассивные радары.[8]
Hensoldt TwInvis на ILA 2018

Также существует несколько академических пассивных радарных систем.

Текущее исследование

Исследования пассивных радарных систем вызывают растущий интерес во всем мире, при этом различные публикации с открытым исходным кодом демонстрируют активные исследования и разработки в Соединенных Штатах (включая работу в исследовательских лабораториях ВВС США, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon, Вашингтонский университет, Технологический институт Джорджии /Технологический исследовательский институт Джорджии и Университет Иллинойса ), в Агентство НАТО C3 в Нидерландах, в Великобритании (в Исследование поместья Рок, QinetiQ, Университет Бирмингема, Университетский колледж Лондона и BAE Systems ), Франции (включая правительственные лаборатории ONERA ), Германии (включая лаборатории Фраунгофер-FHR ), Польша (в том числе Варшавский технологический университет ). Также ведутся активные исследования этой технологии в нескольких государственных или университетских лабораториях в г. Китай, Иран, Россия и Южная Африка. Низкая стоимость системы делает эту технологию особенно привлекательной для университетских лабораторий и других агентств с ограниченными бюджетами, поскольку основными требованиями являются меньшее количество аппаратного обеспечения и большая алгоритмическая сложность и вычислительная мощность.

Многие текущие исследования в настоящее время сосредоточены на использовании современных сигналов цифрового вещания. Соединенные штаты HDTV Стандарт особенно хорош для пассивных радаров, имея отличную функцию неоднозначности и очень мощные передатчики. В DVB-T стандарт цифрового телевидения (и DAB стандарт цифрового звука), используемый во всем остальном мире, является более сложной задачей - мощность передатчика ниже, и многие сети настроены в режиме «одночастотной сети», в котором все передатчики синхронизированы по времени и частоте. Без тщательной обработки чистый результат для пассивного радара подобен множественному повторителю. глушилки.

Целевое изображение

Исследователи из Университет штата Иллинойс в Урбане-Шампейн и Технологический институт Джорджии при поддержке DARPA и Агентство НАТО C3, показали возможность построения синтетического апертурного изображения авиационной цели с использованием пассивных мультистатический радар. Используя несколько передатчиков на разных частотах и ​​в разных местах, можно построить плотный набор данных в пространстве Фурье для данной цели. Восстановить изображение цели можно с помощью обратного быстрое преобразование Фурье (IFFT). Герман, 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 цели используют полученную мощность для оценки RCS цели. Оценка RCS под разными углами обзора, когда цель пересекает мультистатическую систему, сравнивается с библиотекой моделей RCS вероятных целей, чтобы определить классификацию цели. В последней работе Эрман и Лантерман реализовали скоординированную модель полета для дальнейшего уточнения оценки RCS.[4]

Исследования ионосферной турбулентности

Исследователи из Вашингтонский университет использовать распределенный пассивный радар, использующий FM-радиовещание для изучения ионосферной турбулентности на высотах 100 км и дальности до 1200 км.[5] Мейер и Шар продемонстрировали интерферометрические изображения ионосферной турбулентности с угловым разрешением 0,1 градуса, а также разрешили полный доплеровский спектр мощности турбулентности без элайсинга.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бистатические радиолокационные сечения поверхностей вращения
  2. ^ Технология пассивного когерентного определения местоположения (PCL) Silent Sentry В архиве 2010-02-18 в Wayback Machine
  3. ^ Мерсье, Стивен; Бидон, Стефани; Роке, Дэмиен; Эндерли, Сирил (22.06.2020). "Сравнение радиолокационных приемников OFDM на основе корреляции" (PDF). IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам. 56 (6): 4796–4813. Дои:10.1109 / TAES.2020.3003704. ISSN  0018-9251. Получено 2020-12-13.CS1 maint: дата и год (связь)
  4. ^ UIUC пассивный радар ATR
  5. ^ Лаборатория дистанционного зондирования UW Radar
  6. ^ Radio Science 2003, v39, "Реализация, наблюдения и анализ пассивного радиолокационного интерферометра когерентного рассеяния" Дои:10.1029 / 2003RS002985
  • Хоуленд П.Э .: «Пассивный метрический радар, использующий передатчики возможностей», Int. Conf.on Radar, Париж, Франция, май 1994 г., стр. 251–256.
  • Хоуленд П.Э .: "Слежение за целями с помощью телевизионного бистатического радара", IEE Proc.-Radar, Sonar & Navig., Vol. 146, No. 3, июнь 1999 г.
  • Хоуленд, П.Е., Максимюк, Д., и Рейцма, Г.: "Бистатический радар на основе FM-радио", Радар, гидролокатор и навигация, Труды IEE, Vol. 152, выпуск 3, 3 июня 2005 г., стр. 107–115, Цифровой идентификатор объекта 10.1049 / ip-rsn: 20045077
  • Кульпа К. и Чекала З .: "Увеличение дальности действия пассивного радара PCL", 3-я многонациональная конференция по пассивным и скрытым радарам, 2003 г. (PCR-2003). Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета, Сиэтл, Вашингтон, 21–23 октября 2003 г.
  • К. Кульпа, З. Чекала, "Эффект маскировки и его устранение в радаре PCL", IEE Proc. Радар, сонар и навигация, т. 152, Issue 3, pp. 174 - 178, июнь 2005 г.
  • Nordwall B.D .: "Silent Sentry A New Type Radar", Aviation Week & Space Technology, № 30, 1998 г., стр. 70–71
  • Х. Д. Гриффитс, К. Дж. Бейкер, Дж. Боберт, Н. Китчен, М. Треагуст, "Бистатический радар с использованием спутниковых осветителей возможностей", Proc. Международная конференция RADAR 2002, стр. 1–5, октябрь 2002 г.
  • М. Малановски, "Влияние времени интеграции на производительность слежения в радаре PCL", Proc. Применение фотоники в астрономии, связи, промышленности и экспериментах по физике высоких энергий, т. 6937, 28 декабря 2007 г.

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы о
Пассивный радар