Кіріспе
Радар жүйесі, сигнал таратпайтын.
Пассивті радар (паразиттік радар, пассивті когерентті орналасу, пассивті бақылау және пассивті жасырын радар деп те аталады) – қоршаған ортадағы коммерциялық хабар тарату және байланыс сигналдары сияқты, өздігінен сигнал бермейтін жарық көздерінен келетін шағылысуларды өңдеу арқылы нысандарды анықтап, қадағалайтын радар жүйелері класы. Бұл бистатикалық радардың (пассивті бистатикалық радар) нақты бір түрі болып табылады, ол өздігінен сигнал беретін және бермейтін радар таратушыларын пайдалануды да қамтиды.
Кіріспе
Дәстүрлі радиолокациялық жүйелер бір-бірімен орналастырылған хабар таратушы мен қабылдағыштан тұрады, олар әдетте хабар тарату және қабылдау үшін ортақ антеннаны пайдаланады. Импульстік сигнал жіберіледі және импульстің нысанаға барып, қайтуына кеткен уақыт нысананың қашықтығын анықтауға мүмкіндік береді. Пассивті радар жүйесінде арнайы хабар таратушы болмайды. Оның орнына қабылдағыш айналадағы үшінші тараптың хабар таратушыларын пайдаланады және тікелей хабар таратушыдан келген сигнал мен нысанадан шағылысқан сигнал арасындағы уақыт айырмасын өлшейді. Бұл нысананың бистатикалық қашықтығын анықтауға мүмкіндік береді. Бистатикалық қашықтықтан басқа, пассивті радар әдетте эхоның бистатикалық Доплер жылжуын және оның келу бағытын өлшейді. Бұл нысананың орналасқан жерін, бағытын және жылдамдығын есептеуге мүмкіндік береді. Кейбір жағдайларда, бистатикалық қашықтықты, Доплерді және бағытты бірнеше тәуелсіз өлшеулер жасау үшін бірнеше хабар таратушы және/немесе қабылдағыштар қолданылуы мүмкін, бұл соңғы траекторияның дәлдігін едәуір арттырады. "Пассивті радар" термині кейде радиожиілік шығарылымдары (радар, байланыс немесе транспондер шығарылымдары) арқылы ұшақтарды анықтап, қадағалайтын пассивті сенсорларды сипаттау үшін қате қолданылады. Алайда, бұл жүйелер шағылысқан энергияны пайдаланбайды, сондықтан оларды электрондық қолдау шаралары немесе сәулеленуге қарсы жүйелер деп сипаттау дұрыс. Белгілі мысалдарға Чехияның TAMARA және VERA жүйелері, сондай-ақ Украинаның Kolchuga жүйесі жатады.
Тарих
Алыстағы хабар таратушыдан шығатын қоршаған ортаның радиосигналдарын пайдалану арқылы пассивті радарлық анықтау концепциясы жаңа емес. 1935 жылы Ұлыбританияда Роберт Уотсон Уотт жүргізген алғашқы радарлық тәжірибелер радар принципін көрсетті, Дэвентридегі BBC қысқа толқынды таратушысын пайдаланып, 12 км қашықтықтағы Handley Page Heyford бомбалаушысын анықтады. Алғашқы радарлардың барлығы бистатикалық болды, себебі антеннаны тарату режимінен қабылдау режиміне ауыстыру технологиясы әлі дамытылмаған еді. Сондықтан көптеген елдер 1930 жылдардың басында әуе қорғанысы желілерінде бистатикалық жүйелерді қолданды. Мысалы, британдықтар CHAIN HOME жүйесін, француздықтар "тосқана" (немесе "кедергі") жүйесінде бистатикалық үздіксіз толқынды (CW) радарларды, кеңестік одақ RUS 1 деп аталатын бистатикалық CW жүйесін, ал жапондықтар "А типі" деп аталатын бистатикалық CW радарларын жасады. Немістер Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде пассивті бистатикалық жүйені қолданды. Бұл жүйе, Klein Heidelberg Parasit немесе Heidelberg Gerät деп аталды, жеті нысанда (Лиммен, Остворне, Остенд, Булонь, Аббевиль, Кап-д'Антифер және Шербург) орналастырылды және британдық Chain Home радарларын кооперативті емес жарықтандырушылар ретінде пайдаланып, Солтүстік теңіздің оңтүстік бөлігіндегі ұшақтарды анықтау үшін бистатикалық қабылдағыштар ретінде жұмыс істеді. 1936 жылы дуплекстің дамуымен бистатикалық радар жүйелері моностатикалық жүйелерге жол берді. Моностатикалық жүйелерді іске асыру оңайырақ болды, өйткені олар жеке таратушы және қабылдағыш орналасқан жерлерден туындаған геометриялық күрделіліктерді жойды. Сонымен қатар, кішірек компоненттер жасалғандықтан ұшақтар мен кемелерде қолдану мүмкін болды. 1950 жылдардың басында бистатикалық жүйелер қайта қарастырылды, себебі шашыраңқы радар энергиясының қызықты қасиеттері ашылды, шын мәнінде "бистатикалық" термині алғаш рет 1955 жылы Сигель осы қасиеттерді сипаттаған есебінде қолданылды. Ең ірі және күрделі пассивті радар жүйелерінің бірі Ұлыбританияның RX12874, немесе "Winkle" болды. Winkle 1960 жылдары енгізілді, себебі карцинотрон пайда болды – ол ұзақ қашықтықтық радарларды тиімсіз етіп көрсеткен қуатты радар кедергісін тудырды. Winkle карцинотрон хабарларын дәлдігімен қарапайым радарлардың хабарларын анықтай алды, бұл кедергі ұшағын жүздеген шақырым қашықтықтан іздеуге және шабуыл жасауға мүмкіндік берді. Сонымен қатар, кедергінің орнын көрсету арқылы Linesman/Mediator желісіндегі басқа радарлар сол бағытта бағытталған кезде қабылдағыштарының сезімталдығын азайта алады, осылайша кедергі орналасқан жерге жақын бағытталған кезде қабылданатын кедергі мөлшерін азайтады. 1980 жылдары арзан есептеу қуаты мен цифрлық қабылдағыш технологиясының дамуы пассивті радар технологиясына қызығушылықты қайта жандандырды. Бұл жобалаушыларға әртүрлі хабар тарату сигналдарын пайдалану үшін цифрлық сигнал өңдеу әдістерін қолдануға және нысандарды анықтау және олардың бистатикалық қашықтығын және Допплер жылжуын бағалау үшін жеткілікті сигнал өңдеу пайдасын алу үшін кросс-корреляция әдістерін қолдануға мүмкіндік берді. Бірнеше елде құпия бағдарламалар болды, бірақ коммерциялық жүйенің алғашқы жариялануы 1998 жылы Lockheed Martin Mission Systems компаниясы жасады, FM радио және аналогты теледидар таратушыларын пайдаланған Silent Sentry жүйесін коммерциялық түрде іске қосты.
Қабылдау жүйесі
Пассивті радар жүйесі өте күшті, үздіксіз кедергілердің болуы кезінде өте кішкентай нысаналардан келетін сигналды анықтауы тиіс. Бұл, дәстүрлі радардан өзгеше, импульстар арасындағы үнсіздік кезеңдерінде ғана эхо-сигналдарды қабылдайды. Сондықтан қабылдағыш төмен шу деңгейіне, жоғары динамикалық диапазонға және жоғары сызықтыққа ие болуы керек. Осыған қарамастан, қабылданған эхо-сигналдар көбінесе шу деңгейінен төмен болады және жүйе сыртқы шумен шектеледі (өзінің таратылған сигналын қабылдауға және басқа алыс орналасқан таратушылардан келетін сигналдарды қабылдауға байланысты). Пассивті радар жүйелері цифрлық қабылдағыш жүйелерін қолданады, олар цифрланған, дискретті сигналды шығарады.
Цифрлық сәуле қалыптастыру
Пассивті радар жүйелерінің көпшілігі бірнеше антенна элементтері мен элемент деңгейіндегі цифрлау бар қарапайым антенна тізімдерін қолданады. Бұл эхоның келу бағытын стандартты радарлық сәуле жасау техникаларын пайдалану арқылы есептеуге мүмкіндік береді, мысалы, амплитудалық монопульс, бір-бірімен жапсарласқан тұрақты сәулелер тізбегі немесе күрделірек бейімделетін сәуле жасау. Балама ретінде, кейбір зерттеу жүйелері эхоның келу бағытын есептеу үшін тек екі антенна элементін және келу фазасының айырмасын қолданды (бұл фазалық интерферометрия деп аталады және астрономияда қолданылатын өте ұзын негізді интерферометрияға ұқсас).
Сигналды кондиционирлеу
Кейбір таратушы түрлері үшін, қиылыс корреляциялық өңдеуге дейін сигналды таратушыға тәндей кондициялаудан өткізу қажет. Бұл жоғары сапалы аналогтық жолақты сүзгілеуді, анықтамалық сигналдың сапасын арттыру үшін арнаны теңестіруді, радардың екіұштылық функциясын жақсарту үшін цифрлық сигналдардағы қажетсіз элементтерді жоюды, тіпті алынған цифрлық сигналдан анықтамалық сигналды толыққанды қайта құруды қамтуы мүмкін.
Адаптациялық сүзгілеу
Пассивті радар жүйелерінің көпшілігінде анықтау диапазонының негізгі шектеуі – сигнал мен кедергі арақатынасы, себебі берілістен алынатын үлкен және тұрақты тікелей сигнал бар. Бұл мәселені шешу үшін, белсенді шуды бақылауға ұқсас процесте, тікелей сигналды жоюға арналған адаптивті сүзгі қолданылуы мүмкін. Бұл қадам, тікелей сигналдың диапазондық/Допплерлік бүйірліктері келесі қиылыс корреляциясы кезеңіндегі әлсіз эхоларды жасырмауын қамтамасыз ету үшін маңызды. Шамалы жағдайларда тікелей кедергі шектеуші фактор болып табылмайды, мысалы, беріліс көкжиектің ар жағында немесе жер бедерімен жасырылған кезде (Манасташ қыртысты радары сияқты), бірақ мұндай жағдайлар сирек кездеседі. Әдетте, беріліс қабылдағыштан тікелей көрінетін болуы керек, осылайша жақсы төменгі деңгейдегі жабу қамтамасыз етіледі.
Крос-корреляциялық өңдеу
Пассивті радардағы негізгі өңдеу қадамы – қиылысқан корреляция. Бұл қадам сәйкес келетін сүзгі ретінде әрекет етеді және сонымен қатар әр нысана эхосының бистатикалық қашықтығы мен бистатикалық Доплер жылжуының бағалауын қамтамасыз етеді. Көптеген аналогтық және цифрлық хабар тарату сигналдары шу сияқты болып келеді, сондықтан олар тек өзімен ғана корреляцияланады. Бұл қозғалмалы нысаналар үшін мәселе тудырады, себебі эхоға түсетін Доплер жылжуы оның таратушыдан тікелей келетін сигналмен корреляцияланбауын білдіреді. Осының салдарынан, қиылысқан корреляцияны өңдеу әрқайсысы әртүрлі нысана Доплер жылжуына сәйкес келетін сәйкес сүзгілер жиынтығын іске асыруы керек. Дискретті Фурье түрлендіруіне негізделген қиылысқан корреляциялық өңдеудің тиімді іске асырылуы, әсіресе OFDM толқын пішіндері үшін қолданылады. Сигналды өңдеудің күшейтуі әдетте уақыт-жолақ өніміне тең, BT, мұнда B – толқынның жолақтық ені, ал T – интеграцияланатын сигнал тізбегінің ұзындығы. 50 дБ-ға дейінгі күшейту жиі кездеседі. Ұзақ интеграция уақыты нысананың қозғалысымен және интеграция кезеңіндегі қашықтық пен Доплер бойынша оның бұлыңғырлығымен шектеледі.
Мақсатты анықтау
Мақсаттар қиылыс корреляциялық бетінде адаптивті шекті қолдану арқылы анықталады, ал осы шектен жоғары жауаптар мақсат деп есептеледі. Әдетте, стандартты жасанды дабыл деңгейін тұрақтандыратын (CFAR) ұяшық орташалау алгоритмі қолданылады.
Жолды бақылау
Сызықты бақылау кезеңі – кросс-корреляциялық өңдеу нәтижесінде алынған Допплер кеңістігінде жеке нысаналардан келетін сигналдарды уақыт бойынша қадағалау. Әдетте стандартты Калман сүзгісі қолданылады. Өңдеудің осы кезеңінде көптеген жалған дабылдар жоққа шығарылады.
Жолдар бірлестігі мен күйін бағалау
Қарапайым бистатикалық конфигурацияда (бір таратушы және бір қабылдағыш) нысананың орналасқан жерін бағыттың бистатикалық қашықтық эллипсімен қиылысқан нүктесін есептеу арқылы анықтауға болады. Дегенмен, бағыт пен қашықтықтағы қателер бұл тәсілді жеткіліксіз дәл етеді. Жақсырақ тәсіл – бистатикалық қашықтық, бағыт және Доплердің толық өлшемдер жиынтығынан нысананың күйін (орналасқан жері, бағыты және жылдамдығы) сызықтық емес сүзгі арқылы бағалау, мысалы, кеңейтілген немесе иіссіз Кальман сүзгісі. Егер бірнеше таратушы қолданылса, нысана әр таратушымен анықталуы мүмкін. Бұл нысанадан алынған сигнал әр таратушы үшін әртүрлі бистатикалық қашықтықта және Доплер жиілігінде пайда болады, сондықтан бір таратушыдан алынған нысананың қайтарылуы екінші таратушылардан алынған қайтарылулармен сәйкес келе ме екенін анықтау қажет. Бұл қайтарылулар байланыстырылғаннан кейін, әр таратушының бистатикалық қашықтық эллипсі қиылысқан нүкте нысананың орналасқан жері болады. Осылайша нысананы (нақты емес) бағыт өлшемінің бір қашықтық эллипсімен қиылысына сүйенуге қарағанда әлдеқайда дәл табуға болады. Тағы да, ең тиімді тәсіл – әр таратушыдан алынған өлшемдерді сызықтық емес сүзгі арқылы біріктіру, мысалы, кеңейтілген немесе иіссіз Кальман сүзгісі.
Тар жолақты және CW жарықтандыру көздері
Жоғарыдағы сипаттама пайдаланылатын хабар таратушының толқын пішіні пайдалы радарлық екіұштылық функциясына ие деп есептейді, сондықтан өзара корреляция пайдалы нәтиже береді. Кейбір хабар тарату сигналдары, мысалы, аналогты теледидар, уақыт доменіндегі құрылымы өзара корреляция жасағанда жоғары дәрежеде екіұшты немесе қате нәтиже береді. Мұндай жағдайда жоғарыда сипатталған өңдеу тиімсіз болады. Дегенмен, егер сигналда үздіксіз толқын (CW) компоненті болса, мысалы, күшті тасымалдаушы тон болса, мақсаттарды басқа тәсілмен анықтап, қадағалауға болады. Уақыт өте келе, қозғалатын нысаналар CW тонына допплерлік ығысуды және келу бағытын өзгертеді, бұл нысананың орналасуына, жылдамдығына және бағытына тән. Сондықтан допплерлік және бағыт өлшемдерінің уақыт бойынша өзгеруін пайдаланып, нысананың күйін бағалау үшін сызықтық емес бағалаушыны қолдану мүмкін. Аналогты теледидар сигналдарының көру тасымалдаушысын пайдаланып ұшақтарды қадағалауға қатысты осы тәсілдің мүмкіндігін көрсететін зерттеулер жарияланды. Алайда, қадағалауды бастау баяу және қиын, сондықтан тар жолақты сигналдарды жақсы екіұштылық беттері бар жарықтандырғыштарды қолдануға қосымша ретінде қарастыру орынды.
Өнер көрсету
Пассивті радардың өнімділігі дәстүрлі қысқа және орташа қашықтықтағы радар жүйелерімен салыстырады. Анықтау қашықтығы стандартты радар теңдеуін қолдану арқылы анықталуы мүмкін, бірақ өңдеу күші мен сыртқы шудың шектеулерін дұрыс ескеру қажет. Сонымен қатар, дәстүрлі радардан өзгеше, анықтау қашықтығы орналасу геометриясының да функциясы болып табылады, себебі қабылдағыштың жібергіштен қашықтығы нысаналарды анықтау үшін сыртқы шу деңгейін анықтайды. Дегенмен, ереже бойынша, FM радиостанцияларын пайдаланатын пассивті радардың 150 км-ге дейін, жоғары қуатты аналогты теледидар және АҚШ HDTV станцияларының 300 км-ден астам, ал төмен қуатты цифрлық сигналдардың (мысалы, ұялы телефон және DAB немесе DVB-T) бірнеше ондаған шақырымға дейін анықтау қашықтығына жететінін күтуге болады. Пассивті радардың дәлдігі орналасу геометриясымен және қолданылатын қабылдағыштар мен жібергіштердің санымен тікелей байланысты. Тек бір жібергіш және бір қабылдағышты пайдаланатын жүйелер дәстүрлі бақылау радарларына қарағанда әлдеқайда нашар дәлдікке ие болады, ал көп позициялы радарлар жоғары дәлдікке қол жеткізе алады. Көптеген пассивті радарлар екі өлшемді болып табылады, бірақ тарату орналасқан жерде жібергіш, қабылдағыш және нысана биіктігінің айтарлықтай өзгешелігі болған жағдайда биіктікті өлшеу мүмкін, бұл геометриялық дәлдіктің төмендеуіне (GDOP) әсерін азайтады.
Қазіргі зерттеулер
Пассивті радар жүйелеріне қатысты зерттеулер бүкіл әлемде қызығушылықты арттырып келеді, әртүрлі ашық дереккөзді жарияланымдар АҚШ-та (Әуе күштерінің ғылыми-зерттеу зертханалары, Lockheed Martin Mission Systems, Raytheon, Вашингтон университеті, Georgia Tech/Georgia Tech Research Institute және Иллинойс университеті сияқты), Нидерландыдағы НАТО C3 агенттігінде, Ұлыбританияда (Roke Manor Research, QinetiQ, Бирмингем университеті, Лондон университетінің колледжі және BAE Systems), Францияда (ONERA мемлекеттік зертханалары), Германияда (Fraunhofer FHR зертханалары), Польшада (Варшава технологиялық университеті) белсенді зерттеулер мен әзірлемелер жүргізіліп жатыр. Бұл технологияны Қытай, Иран, Ресей және Оңтүстік Африканың бірнеше үкіметтік және университеттік зертханаларында да белсенді түрде зерттеуде. Жүйенің төмен құнға ие болуы осы технологияны университет зертханалары мен бюджеті шектеулі басқа да мекемелер үшін ерекше тартымды етеді, себебі негізгі талаптар – аз аппараттық құралдар, алгоритмдік күрделілік және есептеу қуатының жоғары деңгейі. Қазіргі зерттеулердің көп бөлігі заманауи цифрлық хабар тарату сигналдарын пайдалануға бағытталған. АҚШ-тың HDTV стандарты пассивті радар үшін өте қолайлы, себебі ол өте жақсы екіұштылық функциясына және өте қуатты таратушыларға ие. Әлемнің көп бөлігінде қолданылатын DVB-T цифрлық теледидар стандарты (және оған байланысты DAB цифрлық аудио стандарты) көбірек қиындықтар тудырады – таратушылардың қуаты төмендеу, және көптеген желілер «бір жиілік желісі» режимінде құрылған, онда барлық таратушылар уақыт және жиілік бойынша синхронды түрде жұмыс істейді. Тиісті өңдеу жүргізілмесе, пассивті радар үшін жалпы нәтиже көптеген қайталағыштардың кедергісіне ұқсайды.
Мақсатты бейнелеу
Иллинойс университеті мен Джорджия технология институтының зерттеушілері, DARPA және НАТО C3 агенттігінің қолдауымен, пассивті мультистатикалық радарды пайдаланып ұшақ нысанасының синтетикалық апертуралық кескінін жасау мүмкін екенін көрсетті. Әртүрлі жиіліктерде және орналасқан жерлерде бірнеше таратушыларды қолдану арқылы, белгілі бір нысана үшін Фурье кеңістігіндегі тығыз деректер жиынтығын құруға болады. Нысананың кескінін қайта құру кері жылдам Фурье түрлендіруі (IFFT) арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Герман, Мулин, Эрман және Лантерман симуляциялық деректерге негізделген есептер жариялады, олар төмен жиілікті пассивті радарлардың (FM радиохабарларын пайдалана отырып) іздеу ақпаратына қосымша нысананы жіктеуге қабілетті екенін көрсетеді. Бұл автоматты нысананы тану жүйелері алынған қуатты пайдаланып нысананың RCS-ін бағалайды. Нысана мультистатикалық жүйеден өтетін кезде алынған RCS бағалаулары, түрлі аспекті бұрыштардағы мәліметтерді ықтимал нысаналардың RCS модельдері кітапханасымен салыстыру арқылы нысананы жіктеуге мүмкіндік береді. Соңғы жұмыста Эрман мен Лантерман RCS бағалауын одан әрі жетілдіру үшін координацияланған ұшу моделін енгізді.
Ионосфералық турбулентті зерттеулер
Вашингтон университетінің зерттеушілері FM хабарларын пайдаланып, 100 км биіктіктегі және 1200 км қашықтыққа дейінгі ионосфералық турбулентті зерттеу үшін таратылған пассивті радарды қолданады. Мейер мен Сахр ионосфералық турбуленттің 0,1 градус бұрыштық ажыратымдылығы бар интерферометриялық кескіндерін көрсетті, сонымен қатар турбуленттің толық, алиастық қатесіз Доплер қуат спектрін анықтады.
Ғарыш қалдықтарын анықтау және іздену
Silentium Defence компаниясы LEO-ны қадағалауға арналған алғашқы жер үсті пассивті радарды іске қосты. Oculus обсерваториясы Оңтүстік Австралияның Суон Рич қаласында орналасқан, технологияны жаһандық деңгейде кеңейту жоспарлануда. Silentium компаниясының өнімдері дронды анықтау, теңіздік бақылау, сондай-ақ ұзақ қашықтықтағы әуе және ғарыш іздеуі сияқты тактикалық және стратегиялық қолданыстарды қамтиды. Стратклайд университеті кішкентай сынықтардан бастап, істен шыққан спутниктерге дейін ғарыш қалдықтарын анықтау және қадағалау үшін орбитадағы жүйені әзірлеп жатыр. Ұлыбритания және Еуропалық ғарыш агенттіктерінің қолдауымен жүзеге асырылып жатқан бұл жұмыс, Аэроғарыш өмірінің орталығы мен Стратклайд университетінің сигнал және кескін өңдеу орталығы арасындағы ынтымақтастық болып табылады. Клементе және Василе төмен Жер орбитасындағы қолданыстағы жарықтандырғыштар мен қабылдағышты пайдаланып, кішкентай қалдықтарды анықтаудың техникалық мүмкіндігін көрсетті.