Введение

Пассивный радар (также называемый паразитическим радаром, пассивным когерентным определением местоположения, пассивным наблюдением и пассивным скрытным радаром) — это класс радарных систем, обнаруживающих и отслеживающих объекты путем обработки отражений от не кооперирующих источников освещения в окружающей среде, таких как сигналы коммерционного вещания и связи. Это частный случай бистатического радара – пассивного бистатического радара (PBR), который является более широким типом, включающим также использование как кооперирующих, так и не кооперирующих радиолокационных передатчиков.

Введение

Обычные радиолокационные системы состоят из совместно расположенного передатчика и приемника, которые обычно используют общую антенну для передачи и приема сигнала. Передается импульс, и время, необходимое импульсу для прохождения к объекту и обратно, позволяет определить дальность до него. В пассивной радиолокационной системе отсутствует выделенный передатчик. Вместо этого приемник использует сторонние передатчики в окружающей среде и измеряет разницу во времени прибытия сигнала, пришедшего непосредственно от передатчика, и сигнала, пришедшего после отражения от объекта. Это позволяет определить бистатическую дальность до объекта. Помимо бистатической дальности, пассивный радар обычно также измеряет бистатический доплеровский сдвиг отраженного сигнала и его направление прихода. Эти данные позволяют вычислить местоположение, курс и скорость объекта. В некоторых случаях могут использоваться несколько передатчиков и/или приемников для проведения ряда независимых измерений бистатической дальности, доплеровского сдвига и пеленга, что значительно повышает точность определения траектории. Термин "пассивный радар" иногда ошибочно применяется к пассивным датчикам, которые обнаруживают и отслеживают воздушные суда по их радиоизлучению (например, излучению радаров, средств связи или ответчиков). Однако эти системы не используют отраженную энергию и поэтому точнее описываются как средства электронной поддержки или системы подавления излучения. Хорошо известными примерами являются чешские системы TAMARA и VERA, а также украинская система Kolchuga.

История

Концепция пассивного радиолокационного обнаружения с использованием отраженных радиосигналов, исходящих от удаленного передатчика, не нова. Первые радиолокационные эксперименты в Великобритании в 1935 году, проведенные Робертом Уотсоном Уоттом, продемонстрировали принцип радиолокации, обнаружив бомбардировщик Handley Page Heyford на расстоянии 12 км с использованием коротковолнового передатчика BBC в Давентри. Ранние радары были бистатическими, поскольку технология, позволяющая антенне переключаться с режима передачи на прием, еще 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 "забор" (или "барьер"); 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, известная как Klein Heidelberg Parasit или Heidelberg Gerät, была развернута в семи пунктах (Лиммен, Остфорне, Остенде, Булонь, Аббевиль, Кап-д’Антифер и Шербур) и функционировала как бистатические приемники, используя британские радары Chain Home в качестве не кооперирующих осветителей для обнаружения самолетов над южной частью Северного моря. Бистатические радарные системы уступили место моностатическим с разработкой дуплексера в 1936 году. Моностатические системы было намного проще реализовать, поскольку они устраняли геометрические сложности, возникающие из-за раздельных мест расположения передатчика и приемника. Кроме того, по мере разработки более компактных компонентов стали возможны применения на летательных аппаратах и кораблях. В начале 1950-х годов бистатические системы вновь стали рассматриваться, когда были открыты интересные свойства рассеянной радиолокационной энергии; фактически, термин "бистатический" впервые был использован Зигелем в 1955 году в его отчете, описывающем эти свойства. Одной из крупнейших и наиболее сложных пассивных радиолокационных систем была британская RX12874, или "Winkle". Winkle был развернут в 1960-х годах в ответ на появление карцинотрона – радиолокационного глушителя, мощность которого была настолько велика, что, казалось, делала радиолокаторы дальнего действия бесполезными. Winkle смог пеленговать передачи карцинотрона с той же точностью, что и обычный радар, что позволяло отслеживать и атаковать самолет-глушитель на расстоянии в сотни миль. Кроме того, указывая местоположение глушителя, другие радары в сети Linesman/Mediator могли снизить чувствительность своих приемников при нацеливании в этом направлении, тем самым уменьшая количество принимаемых помех вблизи местоположения глушителя. Рост доступной вычислительной мощности и цифровых радиотехнологий в 1980-х годах привел к возрождению интереса к пассивной радиолокации. Впервые это позволило разработчикам применять методы цифровой обработки сигналов для использования различных вещательных сигналов и использовать методы перекрестной 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.

Система приемника

Пассивная радиолокационная система должна обнаруживать очень слабые отраженные сигналы от целей в условиях сильных, непрерывных помех. Это принципиально отличается от обычного радара, который принимает эхо-сигналы в периоды тишины между каждым импульсом передачи. В связи с этим, приемник должен обладать низким коэффициентом шума, высоким динамическим диапазоном и высокой линейностью. Тем не менее, принимаемые эхо-сигналы обычно значительно ниже уровня шума, и система, как правило, ограничивается внешним шумом (из-за приема самого передаваемого сигнала, а также сигналов от других удаленных передатчиков в той же полосе частот). Пассивные радиолокационные системы используют цифровые приемные устройства, выдающие оцифрованный дискретизированный сигнал.

Цифровая формообразование лучей

Большинство пассивных радиолокационных систем используют простые антенные решетки с несколькими антенными элементами и цифровой обработкой сигнала на уровне элементов. Это позволяет вычислять направление прихода отраженных сигналов, используя стандартные методы формирования диаграммы направленности радиолокационных сигналов, такие как амплитудная монопульсация с применением серии фиксированных, перекрывающихся диаграмм или более сложные методы адаптивного формирования диаграммы направленности. В качестве альтернативы, некоторые экспериментальные системы использовали лишь пару антенных элементов и разность фаз прихода сигнала для определения направления прихода отраженных сигналов (метод, известный как фазовая интерферометрия, концептуально схожий с интерферометрией со сверхдлинной базой, применяемой в астрономии).

Кондиционирование сигнала

Для некоторых типов передатчиков требуется выполнить предварительную обработку сигнала, специфичную для данного передатчика, перед обработкой перекрестной корреляции. Это может включать высококачественную аналоговую фильтрацию в полосе частот сигнала, выравнивание каналов для повышения качества опорного сигнала, удаление нежелательных структур в цифровых сигналах для улучшения характеристик разрешения радара или даже полную реконструкцию опорного сигнала на основе принятого цифрового сигнала.

Адаптируемая фильтрация

Основным ограничением дальности обнаружения для большинства пассивных радиолокационных систем является отношение сигнал/помеха, обусловленное большим и постоянным прямым сигналом, принимаемым от передатчика. Для его устранения можно использовать адаптивный фильтр, подавляющий прямой сигнал в процессе, аналогичном активному шумоподавлению. Этот этап необходим для того, чтобы боковые лепестки по дальности и доплеровской частоте прямого сигнала не маскировали слабые отражения на последующей стадии перекрестной корреляции. В отдельных случаях прямой сигнал не является ограничивающим фактором, если передатчик находится за горизонтом или закрыт рельефом местности (например, как в случае с радаром Manastash Ridge), однако это скорее исключение, чем правило, поскольку для обеспечения хорошего покрытия на малых высотах передатчик обычно должен находиться в прямой видимости приемника.

Обработка перекрестной корреляции

Ключевым этапом обработки в пассивном радаре является перекрестная корреляция. Этот этап выполняет функцию согласованного фильтра и обеспечивает оценку бистатического расстояния и бистатического доплеровского сдвига каждого отраженного сигнала от цели. Большинство аналоговых и цифровых вещательных сигналов по своей природе близки к шуму и, следовательно, склонны коррелировать только сами с собой. Это создает проблему для движущихся целей, поскольку доплеровский сдвиг, накладываемый на отраженный сигнал, означает, что он не будет коррелировать с прямым сигналом от передатчика. В результате, обработка перекрестной корреляции должна реализовывать банк согласованных фильтров, каждый из которых настроен на определенный доплеровский сдвиг цели. Обычно используются эффективные реализации обработки перекрестной корреляции, основанные на дискретном преобразовании Фурье, особенно для сигналов OFDM. Коэффициент усиления обработки сигнала обычно равен произведению времени на ширину полосы пропускания (BT), где B – ширина полосы пропускания сигнала, а T – длина интегрируемой последовательности сигнала. Усиление в 50 дБ – обычное явление. Увеличение времени интегрирования ограничивается движением цели и ее размытием по дальности и доплеровской частоте в течение периода интегрирования.

Обнаружение цели

Цели обнаруживаются на поверхности перекрестной корреляции путем применения адаптивного порога, и все сигналы, превышающие этот порог, объявляются целями. Как правило, используется стандартный алгоритм постоянной частоты ложных тревог (CFAR) с усреднением по ячейкам.

Отслеживание линии

Шаг отслеживания траектории относится к отслеживанию отраженных сигналов от отдельных целей во времени в доплеровском диапазоне, сформированном в результате обработки перекрестной корреляции. Как правило, используется стандартный фильтр Калмана. Большинство ложных тревог отбрасывается на этом этапе обработки.

Ассоциация путей и оценка состояния

В простой бистатической конфигурации (один передатчик и один приемник) можно определить местоположение цели, просто вычислив точку пересечения пеленга с бистатической эллипсой дальности. Однако ошибки в пеленге и дальности делают этот подход достаточно неточным. Более эффективный подход заключается в оценке состояния цели (местоположения, курса и скорости) на основе полного набора измерений бистатической дальности, пеленга и эффекта Доплера с использованием нелинейного фильтра, такого как расширенный или несмещенный фильтр Калмана. При использовании нескольких передатчиков цель может быть потенциально обнаружена каждым из них. Отраженный сигнал от этой цели будет иметь различную бистатическую дальность и сдвиг Доплера для каждого передатчика, поэтому необходимо установить соответствие между отраженными сигналами от цели, полученными с разных передатчиков. После установления этой связи, точка пересечения бистатических эллипсов дальности, построенных для каждого передатчика, будет являться местоположением цели. Таким образом, местоположение цели можно определить гораздо точнее, чем полагаясь на пересечение (неточного) измерения пеленга с одной эллипсой дальности. Оптимальным подходом, как и прежде, является объединение измерений с каждого передатчика с использованием нелинейного фильтра, такого как расширенный или несмещенный фильтр Калмана.

Источники узкополосного и светодиодного освещения

Вышеприведенное описание исходит из того, что форма сигнала передатчика, подвергаемого воздействию, обладает полезной функцией радарной неоднозначности, и, следовательно, перекрестная корреляция дает значимый результат. Некоторые широковещательные сигналы, такие как аналоговое телевидение, содержат структуру во временной области, которая при перекрестной корреляции приводит к сильно неоднозначному или неточному результату. В этом случае описанная выше обработка неэффективна. Однако, если сигнал содержит непрерывную волну (CW), например, сильный несущий тон, то можно обнаружить и отслеживать цели альтернативным способом. Со временем движущиеся цели накладывают изменяющееся доплеровское смещение и направление прихода на несущий тон CW, что является характеристикой местоположения, скорости и курса цели. Поэтому можно использовать нелинейную оценку для определения состояния цели на основе временной истории измерений доплеровского сдвига и пеленга. Опубликованы работы, демонстрирующие возможность применения этого подхода для отслеживания самолетов с использованием несущей частоты визуального сигнала аналогового телевидения. Однако инициация траектории происходит медленно и затруднительно, поэтому использование узкополосных сигналов, вероятно, лучше рассматривать как вспомогательное средство к использованию осветителей с более качественными поверхностями неоднозначности.

Выступление

Пассивные радиолокационные системы по своим характеристикам сопоставимы с обычными радиолокационными системами малой и средней дальности. Дальность обнаружения может быть определена с использованием стандартного радиолокационного уравнения, но при этом необходимо учитывать коэффициент усиления обработки сигнала и ограничения, связанные с внешним шумом. Более того, в отличие от обычных радаров, дальность обнаружения также зависит от геометрии размещения, поскольку расстояние между приемником и передатчиком определяет уровень внешнего шума, на фоне которого необходимо обнаруживать цели. Однако, как правило, можно ожидать, что пассивный радар, использующий FM-радиостанции, обеспечит дальность обнаружения до 150 км, высокомощные аналоговые телевизионные и американские HDTV-станции – более 300 км, а маломощные цифровые сигналы (такие как сотовая связь и DAB или DVB-T) – несколько десятков километров. Точность пассивного радара сильно зависит от геометрии размещения и количества используемых приемников и передатчиков. Системы, использующие только один передатчик и один приемник, как правило, будут значительно менее точными, чем обычные радиолокационные станции наблюдения, в то время как мультистатические радары способны достигать несколько большей точности. Большинство пассивных радаров работают в двух измерениях, но измерение высоты возможно при такой конфигурации размещения, когда наблюдается значительная разница в высотах передатчиков, приемника и цели, что снижает влияние геометрического разбавления точности (GDOP).

Текущие исследования

Исследования пассивных радиолокационных систем вызывают все больший интерес во всем мире, о чем свидетельствуют многочисленные публикации с открытым исходным кодом, демонстрирующие активные исследования и разработки в Соединенных Штатах (включая работы в Исследовательских лабораториях ВВС, Lockheed Martin Mission Systems, Raytheon, Университете Вашингтона, Georgia Tech/Georgia Tech Research Institute и Университете Иллинойса), в Агентстве C3 НАТО в Нидерландах, в Соединенном Королевстве (в Roke Manor Research, QinetiQ, Университете Бирмингема, Университетском колледже Лондона и BAE Systems), во Франции (включая правительственные лаборатории ONERA), в Германии (включая лаборатории Fraunhofer FHR), в Польше (включая Варшавский технический университет). Активные исследования в этой области также ведутся в нескольких государственных и университетских лабораториях Китая, Ирана, России и Южной Африки. Невысокая стоимость системы делает эту технологию особенно привлекательной для университетских лабораторий и других организаций с ограниченным бюджетом, поскольку ключевыми требованиями являются не столько аппаратное обеспечение, сколько алгоритмическая сложность и вычислительная мощность. Значительная часть современных исследований сосредоточена на использовании современных цифровых вещательных сигналов. Американский стандарт HDTV особенно хорошо подходит для пассивного радара, обладая отличной функцией неоднозначности и передатчиками очень высокой мощности. Стандарт цифрового телевидения DVB-T (и связанный с ним стандарт цифрового аудио DAB), используемый в большинстве стран мира, представляет собой более сложную задачу – мощность передатчиков ниже, и многие сети настроены в режиме "одночастотной сети", где все передатчики синхронизированы по времени и частоте. Без тщательной обработки, конечный результат для пассивного радара эквивалентен воздействию множественных помех от повторителей.

Образные изображения цели

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Технологического института Джорджии при поддержке DARPA и Агентства C3 НАТО показали, что возможно построение синтезированного апертурного изображения воздушной цели с использованием пассивного мультистатического радара. Используя несколько передатчиков на различных частотах и в разных точках пространства, можно сформировать плотный набор данных в пространстве Фурье для заданной цели. Реконструкция изображения цели может быть выполнена с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT). Герман, Мулин, Эрман и Лантерман опубликовали отчеты, основанные на смоделированных данных, которые указывают на то, что низкочастотные пассивные радары (использующие передачи FM-радио) могут обеспечивать классификацию целей в дополнение к информации об их сопровождении. Эти системы автоматического распознавания целей используют принятую мощность для оценки эффективной площади рассеяния (ЭПР) цели. Оценка ЭПР под различными углами обзора при движении цели в мультистатической системе сравнивается с библиотекой моделей ЭПР вероятных целей для определения их классификации. В последних работах Эрман и Лантерман реализовали согласованную модель полета для дальнейшей оптимизации оценки ЭПР.

Ионосферные турбулентные исследования

Исследователи из Университета Вашингтона используют распределённый пассивный радар, работающий на основе FM-вещания, для изучения ионосферной турбулентности на высотах 100 км и на расстояниях до 1200 км. Майер и Сахр продемонстрировали интерферометрические изображения ионосферной турбулентности с угловым разрешением 0,1 градуса, а также разрешение полного, неалиасированного спектра мощности доплеровского сдвига турбулентности.

Обнаружение и отслеживание космического мусора

Silentium Defence запустила первый оперативный наземный пассивный радар, специально разработанный для отслеживания объектов на низкой околоземной орбите (LEO). Обсерватория Oculus базируется в Суон Рич, Южная Австралия, и планируется масштабирование технологии по всему миру. Silentium предлагает широкий спектр продуктов, поддерживающих как тактические, так и стратегические задачи – от обнаружения беспилотников и морского наблюдения до дальнего воздушного и космического поиска. Университет Стратклайда разрабатывает орбитальную систему для обнаружения и отслеживания космического мусора, от мелких фрагментов до неактивных спутников. Эта работа, поддерживаемая Космическим агентством Великобритании и Европейским космическим агентством, осуществляется в рамках сотрудничества между Центром аэрокосмических исследований и Центром обработки сигналов и изображений Университета Стратклайда. Клементе и Василе продемонстрировали техническую возможность обнаружения небольших обломков, используя существующие источники освещения и приемник на низкой околоземной орбите.