Radar passiu

Radar passiu de defensa Silentium per a SDA - baixa resolució 2

Variant protegida militar Twinvis del radar passiu de Hensoldt exposada a l'ILA Berlin Airshow 2024

El radar passiu (també anomenat radar parasitari, localització coherent passiva, vigilància passiva i radar encobert passiu) és una classe de sistemes de radar que detecten i rastregen objectes processant reflexions de fonts d'il·luminació no cooperatives a l'entorn, com ara senyals de radiodifusió i comunicacions comercials. És un cas específic de radar biestàtic (radar biestàtic passiu, PBR), que és un tipus ampli que també inclou l'explotació de transmissors de radar cooperatius i no cooperatius.

Introducció

Els sistemes de radar convencionals consten d'un transmissor i un receptor col·locats, que normalment comparteixen una antena comuna per transmetre i rebre. Es transmet un senyal pulsat i el temps que triga el pols a viatjar fins a l'objecte i tornar permet determinar la distància de l'objecte.

En un sistema de radar passiu, no hi ha un transmissor dedicat. En canvi, el receptor utilitza transmissors de tercers a l'entorn i mesura la diferència de temps d'arribada entre el senyal que arriba directament del transmissor i el senyal que arriba per reflexió de l'objecte. Això permet determinar l'abast biestàtic de l'objecte. A més de l'abast biestàtic, un radar passiu normalment també mesurarà el desplaçament Doppler biestàtic de l'eco i també la seva direcció d'arribada. Això permet calcular la ubicació, el rumb i la velocitat de l'objecte. En alguns casos, es poden utilitzar múltiples transmissors i/o receptors per fer diverses mesures independents de l'abast biestàtic, el Doppler i el rumb i, per tant, millorar significativament la precisió final de la trajectòria.

El terme "radar passiu" de vegades s'utilitza incorrectament per descriure aquells sensors passius que detecten i rastregen aeronaus per les seves emissions de radiofreqüència (com ara radar, comunicacions o emissions de transponedors). Tanmateix, aquests sistemes no exploten l'energia reflectida i, per tant, es descriuen amb més precisió com a sistemes de mesura de suport electrònic o antiradiació. Exemples ben coneguts inclouen els sistemes txecs TAMARA i VERA i el sistema ucraïnès Kolchuga.

Història

El concepte de detecció passiva per radar mitjançant senyals de ràdio ambientals reflectits que emanen d'un transmissor distant no és nou. Els primers experiments amb radar al Regne Unit el 1935 per Robert Watson-Watt van demostrar el principi del radar detectant un bombarder Handley Page Heyford a una distància de 12 km utilitzant el transmissor d'ona curta de la BBC a Daventry.

Els primers radars eren tots biestàtics perquè no s'havia desenvolupat la tecnologia per permetre que una antena canviés del mode de transmissió al mode de recepció. Per tant, molts països utilitzaven sistemes biestàtics en xarxes de defensa aèria durant els primers anys 30. Per exemple, els britànics van desplegar el sistema CHAIN HOME; els francesos van utilitzar un radar d'ona contínua (CW) biestàtic en un sistema de "tanca" (o "barrera"); la Unió Soviètica va desplegar un sistema CW biestàtic anomenat RUS-1, i els japonesos van desenvolupar un radar CW biestàtic anomenat "Tipus A".

Els alemanys van utilitzar un sistema biestàtic passiu durant la Segona Guerra Mundial. Aquest sistema, anomenat Klein Heidelberg Paràsit o Heidelberg-Gerät, es va desplegar en set llocs (Limmen, Oostvoorne, Ostende, Boulogne, Abbeville, Cap d'Antifer i Cherbourg) i va funcionar com a receptors biestàtics, utilitzant els radars britànics Chain Home com a il·luminadors no cooperatius, per detectar avions sobre la part sud del Mar del Nord.

Els sistemes de radar biestàtics van donar pas als sistemes monoestàtics amb el desenvolupament del dúplex el 1936. Els sistemes monoestàtics eren molt més fàcils d'implementar, ja que eliminaven les complexitats geomètriques introduïdes pels llocs separats del transmissor i el receptor. A més, les aplicacions en avions i vaixells van ser possibles a mesura que es van desenvolupar components més petits. A principis de la dècada de 1950, es van tornar a considerar els sistemes biestàtics quan es van descobrir algunes propietats interessants de l'energia dispersa del radar; de fet, el terme "biestàtic" va ser utilitzat per primera vegada per Siegel el 1955 en el seu informe que descrivia aquestes propietats.

Un dels radars passius més grans i complexos els sistemes eren el RX12874 del Regne Unit, o "Winkle". Winkle es va desplegar a la dècada de 1960 en resposta a la introducció del carcinotró, un bloquejador de radar tan potent que semblava inutilitzar els radars de llarga distància. Winkle va ser capaç de centrar-se en les emissions del carcinotró amb la mateixa precisió que el radar convencional, permetent rastrejar i atacar l'avió bloquejador a centenars de milles de distància. A més, en indicar la ubicació del bloquejador, altres radars de la xarxa Linesman/Mediator podien reduir la sensibilitat dels seus receptors quan apuntaven en aquesta direcció, reduint així la quantitat d'interferència rebuda quan apuntaven a prop de la ubicació del bloquejador.

L'augment de la potència de computació barata i la tecnologia de receptors digitals a la dècada de 1980 va provocar un ressorgiment de l'interès per la tecnologia de radar passiu. Per primera vegada, aquestes van permetre als dissenyadors aplicar tècniques de processament de senyals digitals per explotar una varietat de senyals de radiodifusió i utilitzar tècniques de correlació creuada per aconseguir un guany de processament de senyals suficient per detectar objectius i estimar el seu abast biestàtic i el desplaçament Doppler. Existien programes classificats en diverses nacions, però el primer anunci d'un sistema comercial va ser per part de Lockheed-Martin Mission Systems el 1998, amb el llançament comercial del sistema Silent Sentry, que explotava transmissors de ràdio FM i televisió analògica.

Il·luminadors típics

S'han desenvolupat sistemes de radar passiu que exploten les fonts d'il·luminació següents:

• Senyals de televisió analògics
• Senyals de ràdio FM
• Estacions base de telefonia mòbil
• Emissió d'àudio digital
• Emissió de vídeo digital
• Transmissors de televisió terrestre d'alta definició a Amèrica del Nord
• Satèl·lits GPS (reflectometria GPS).

Els senyals de satèl·lit generalment s'han trobat més difícils per a l'ús de radars passius, ja sigui perquè les potències són massa baixes o perquè les òrbites dels satèl·lits són tals que la il·luminació és massa infreqüent. Tanmateix, hi ha hagut desenvolupaments significatius en aquest àmbit durant els darrers anys. La possible excepció a això és l'explotació de sistemes de radar i ràdio per satèl·lit basats en satèl·lits. El 2011, els investigadors Barott i Butka de la Universitat Aeronàutica Embry-Riddle van anunciar resultats que afirmaven haver tingut èxit utilitzant XM Radio per detectar aeronaus amb una estació terrestre de baix cost.

Principi

En un sistema de radar convencional, el temps de transmissió del pols i la forma d'ona transmesa es coneixen exactament. Això permet calcular fàcilment l'abast de l'objecte i utilitzar un filtre adaptat per aconseguir una relació senyal-soroll òptima al receptor. Un radar passiu no té aquesta informació directament i, per tant, ha d'utilitzar un canal receptor dedicat (conegut com a "canal de referència") per monitorar cada transmissor que s'explota i mostrejar dinàmicament la forma d'ona transmesa. Un radar passiu normalment utilitza els passos de processament següents:

• Recepció del senyal directe del transmissor o transmissors i de la regió de vigilància en receptors digitals lineals de baix soroll dedicats
• Formació de feix digital per determinar la direcció d'arribada dels senyals i el rebuig espacial de fortes interferències dins de banda
• Filtratge adaptatiu per cancel·lar qualsevol retorn de senyal directe no desitjat al(s) canal(s) de vigilància
• Condicionament de senyal específic del transmissor
• Correlació creuada del canal de referència amb els canals de vigilància per determinar l'abast biestàtic de l'objecte i l'efecte Doppler.
• Detecció mitjançant un esquema de taxa constant de falses alarmes (CFAR)
• Associació i seguiment de retorns d'objectes en espai de distància/Doppler, conegut com a "seguiment de línies"
• Associació i fusió de traces de línies de cada transmissor per formar l'estimació final de la ubicació, el rumb i la velocitat d'un objecte.

Aquests es descriuen amb més detall a les seccions següents.

Esquema genèric de processament de senyals de radar passiu

Processament

Sistema receptor

Un sistema de radar passiu ha de detectar retorns de blancs molt petits en presència d'interferències contínues molt fortes. Això contrasta amb un radar convencional, que escolta ecos durant els períodes de silenci entre cada transmissió d'impulsos. Com a resultat, el receptor ha de tenir una xifra de soroll baixa, un rang dinàmic alt i una linealitat alta. Malgrat això, els ecos rebuts normalment estan molt per sota del soroll de fons i el sistema tendeix a estar limitat pel soroll externament (a causa de la recepció del senyal transmès en si, més la recepció d'altres transmissors distants en banda). Els sistemes de radar passiu utilitzen sistemes receptors digitals que emeten un senyal digitalitzat i mostrejat.

Formació de feix digital

La majoria dels sistemes de radar passius utilitzen conjunts d'antenes simples amb diversos elements d'antena i digitalització a nivell d'element. Això permet calcular la direcció d'arribada dels ecos mitjançant tècniques estàndard de formació de feix de radar, com ara el monopuls d'amplitud utilitzant una sèrie de feixos fixos i superposats o la formació de feix adaptativa més sofisticada. Alternativament, alguns sistemes de recerca han utilitzat només un parell d'elements d'antena i la diferència de fase d'arribada per calcular la direcció d'arribada dels ecos (coneguda com a interferometria de fase i similar en concepte a la interferometria de línia de base molt llarga utilitzada en astronomia).

Condicionament de senyals

Amb alguns tipus de transmissors, cal dur a terme un condicionament específic del senyal abans del processament de correlació creuada. Això pot incloure un filtratge analògic de banda passadora d'alta qualitat del senyal, l'equalització de canals per millorar la qualitat del senyal de referència, l'eliminació d'estructures no desitjades en senyals digitals per millorar la funció d'ambigüitat del radar o fins i tot la reconstrucció completa del senyal de referència a partir del senyal digital rebut.

Filtratge adaptatiu

La principal limitació en el rang de detecció per a la majoria de sistemes de radar passius és la relació senyal-interferència, a causa del senyal directe gran i constant rebut del transmissor. Per eliminar-ho, es pot utilitzar un filtre adaptatiu per eliminar el senyal directe en un procés similar al control de soroll actiu. Aquest pas és essencial per garantir que els lòbuls laterals de rang/Doppler del senyal directe no emmascarin els ecos més petits en la fase posterior de correlació creuada.

Processament de correlació creuada

El pas clau de processament en un radar passiu és la correlació creuada. Aquest pas actua com a filtre adaptat i també proporciona les estimacions de l'abast biestàtic i el desplaçament Doppler biestàtic de cada eco de l'objectiu. La majoria dels senyals de transmissió analògics i digitals són de naturalesa semblant al soroll i, com a conseqüència, tendeixen a correlacionar-se només amb ells mateixos. Això presenta un problema amb els objectius en moviment, ja que el desplaçament Doppler imposat a l'eco significa que no es correlacionarà amb el senyal directe del transmissor. Com a resultat, el processament de correlació creuada ha d'implementar un banc de filtres adaptats, cadascun adaptat a un desplaçament Doppler de l'objectiu diferent. Normalment s'utilitzen implementacions eficients del processament de correlació creuada basades en la transformada discreta de Fourier, en particular per a formes d'ona OFDM. El guany del processament del senyal és típicament igual al producte ample de banda de temps, BT, on B és l'ample de banda de la forma d'ona i T és la longitud de la seqüència de senyal que s'està integrant. Un guany de 50 dB no és estrany. Els temps d'integració prolongats estan limitats pel moviment de l'objectiu i la seva difuminació en el rang i Doppler durant el període d'integració.

Detecció d'objectius

Els objectius es detecten a la superfície de correlació creuada aplicant un llindar adaptatiu i declarant que tots els retorns per sobre d'aquesta superfície són objectius. Normalment s'utilitza un algorisme estàndard de taxa de falsa alarma constant (CFAR) de mitjana cel·lular.

Rendiment

El rendiment del radar passiu és comparable als sistemes de radar convencionals de curt i mitjà abast. L'abast de detecció es pot determinar mitjançant l' equació estàndard del radar, però tenint en compte el guany de processament i les limitacions del soroll extern. A més, a diferència del radar convencional, l'abast de detecció també és una funció de la geometria de desplegament, ja que la distància del receptor al transmissor determina el nivell de soroll extern contra el qual s'han de detectar els objectius. Tanmateix, com a regla general, és raonable esperar que un radar passiu que utilitza estacions de ràdio FM aconsegueixi rangs de detecció de fins a 150 km, per a emissores de televisió analògica d'alta potència i HDTV dels EUA per aconseguir rangs de detecció de més de 300 km i per a senyals digitals de menor potència (com ara telèfons mòbils i DAB o DVB-T) per aconseguir rangs de detecció d'unes poques desenes de quilòmetres.

La precisió del radar passiu és una funció important de la geometria del desplegament i del nombre de receptors i transmissors que s'utilitzen. Els sistemes que utilitzen només un transmissor i un receptor tendeixen a ser molt menys precisos que els radars de vigilància convencionals, mentre que els radars multiestàtics són capaços d'aconseguir precisions una mica més grans. La majoria dels radars passius són bidimensionals, però les mesures d'alçada són possibles quan el desplegament és tal que hi ha una variació significativa en les altituds dels transmissors, el receptor i l'objectiu, reduint els efectes de la dilució geomètrica de la precisió (GDOP).

Avantatges i desavantatges

Els defensors de la tecnologia citen els següents avantatges:

• Cost de contractació més baix
• Menors costos d'operació i manteniment, a causa de la manca de transmissor i peces mòbils
• Operació encoberta, sense necessitat d'assignacions de freqüències
• Físicament petit i, per tant, fàcil de desplegar en llocs on no es poden utilitzar radars convencionals
• Actualitzacions ràpides, normalment un cop per segon
• Dificultat d'embús
• Resistència als míssils antiradiació.

Els detractors de la tecnologia al·leguen els següents inconvenients:

• Immaduresa
• Dependència d'il·luminadors de tercers
• Complexitat del desplegament
• Funcionament 1D/2D, però és possible utilitzar 2 sistemes diferents per a 3D (alçada + abast).

Recerca actual

La recerca sobre sistemes de radar passius és d'interès creixent a tot el món, amb diverses publicacions de codi obert que mostren recerca i desenvolupament actius als Estats Units (inclosos els treballs als Laboratoris de Recerca de la Força Aèria, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon, la Universitat de Washington, Georgia Tech/Georgia Tech Research Institute i la Universitat d'Illinois), a l'Agència C3 de l'OTAN als Països Baixos, al Regne Unit (a Roke Manor Research, QinetiQ, la Universitat de Birmingham, l'University College London i BAE Systems), França (inclosos els laboratoris governamentals de l'ONERA), Alemanya (inclosos els laboratoris de Fraunhofer-FHR), Polònia (inclosa la Universitat Tecnològica de Varsòvia). També hi ha recerca activa sobre aquesta tecnologia en diversos governs o laboratoris universitaris a la Xina, l'Iran, Rússia i Sud-àfrica. La naturalesa de baix cost del sistema fa que la tecnologia sigui particularment atractiva per als laboratoris universitaris i altres agències amb pressupostos limitats, ja que els requisits clau són menys maquinari i més sofisticació algorítmica i potència computacional.