Radar pasivo sistemas (también conocidas como localización coherente pasiva, sistemas de vigilancia pasiva, y radar encubierta pasiva) abarcan una clase de radar sistemas que detectan y objetos de la pista mediante el procesamiento de las reflexiones de fuentes no cooperativos de iluminación en el ambiente, tales como la radiodifusión comercial y señales de comunicaciones. Es un caso específico de radar biestático, este último también incluye la explotación de transmisores de radar cooperativos y no cooperativos.
Los sistemas de radar convencionales comprenden un transmisor y un receptor colocados, que generalmente comparten una antena común para transmitir y recibir. Se transmite una señal pulsada y el tiempo que tarda el pulso en viajar hasta el objeto y volver permite determinar el alcance del objeto.
En un sistema de radar pasivo, no hay un transmisor dedicado. En cambio, el receptor utiliza transmisores de terceros en el entorno y mide la diferencia de tiempo de llegada entre la señal que llega directamente del transmisor y la señal que llega a través de la reflexión del objeto. Esto permite determinar el rango biestático del objeto. Además del alcance biestático, un radar pasivo normalmente también medirá el desplazamiento Doppler biestático del eco y también su dirección de llegada. Estos permiten calcular la ubicación, el rumbo y la velocidad del objeto. En algunos casos, se pueden emplear múltiples transmisores y / o receptores para realizar varias mediciones independientes de rango biestático, Doppler y rumbo y, por lo tanto, mejorar significativamente la precisión de la pista final.
El término "radar pasivo" a veces se usa incorrectamente para describir aquellos sensores pasivos que detectan y rastrean aeronaves por sus emisiones de RF (como las emisiones de radar, comunicaciones o transpondedores ). Sin embargo, estos sistemas no aprovechan la energía reflejada y, por lo tanto, se describen con mayor precisión como sistemas ESM. Ejemplos bien conocidos incluyen los sistemas checos TAMARA y VERA y el sistema ucraniano Kolchuga.
El concepto de detección pasiva por radar que utiliza señales de radio ambientales reflejadas que emanan de un transmisor distante no es nuevo. Los primeros experimentos de radar en el Reino Unido en 1935 por Robert Watson-Watt demostraron el principio del radar al detectar un bombardero Handley Page Heyford a una distancia de 12 km utilizando el transmisor de onda corta de la BBC en Daventry.
Los primeros radares eran todos biestáticos porque no se había desarrollado la tecnología que permitía cambiar una antena del modo de transmisión al de recepción. Por lo tanto, muchos países estaban utilizando sistemas biestáticos en las redes de defensa aérea a principios de la década de 1930. Por ejemplo, los británicos desplegaron el sistema CHAIN HOME ; los franceses utilizaron un radar biestático de onda continua (CW) en un sistema de "valla" (o "barrera"); la Unión Soviética desplegó un sistema CW biestático llamado RUS-1; y los japoneses desarrollaron un radar CW biestático llamado "Tipo A".
Los alemanes utilizaron un sistema biestático pasivo durante la Segunda Guerra Mundial. Este sistema, llamado Klein Heidelberg Parasit o Heidelberg-Gerät, se implementó en siete sitios (Limmen, Oostvoorne, Ostend, Boulogne, Abbeville, Cap d'Antifer y Cherbourg) y funcionó como receptores biestáticos, utilizando los radares británicos Chain Home como no -iluminadores cooperativos, para detectar aviones sobre la parte sur del Mar del Norte.
Los sistemas de radar biestático dieron paso a los sistemas monoestáticos con el desarrollo del sincronizador en 1936. Los sistemas monoestáticos fueron mucho más fáciles de implementar ya que eliminaron las complejidades geométricas introducidas por los sitios separados del transmisor y el receptor. Además, las aplicaciones a bordo de aviones y barcos se hicieron posibles a medida que se desarrollaron componentes más pequeños. A principios de la década de 1950, los sistemas biestáticos se volvieron a considerar cuando se descubrieron algunas propiedades interesantes de la energía dispersa del radar; de hecho, el término "biestático" fue utilizado por primera vez por Siegel en 1955 en su informe que describe estas propiedades.
Uno de los sistemas de radar pasivo más grandes y complejos fue el RX12874 o "Winkle" del Reino Unido. Winkle se implementó en la década de 1960 en respuesta a la introducción del carcinotrón, un bloqueador de radar que era tan poderoso que parecía inutilizar los radares de larga distancia. Winkle pudo localizar las transmisiones de carcinotrón con la misma precisión que un radar convencional, lo que permitió rastrear y atacar a la aeronave bloqueadora a cientos de millas de distancia. Además, al indicar la ubicación de la interferencia, otros radares en la red del juez de línea / mediador podrían reducir la sensibilidad de sus receptores cuando apuntan en esa dirección, reduciendo así la cantidad de interferencia recibida cuando se apunta cerca de la ubicación de la interferencia.
El auge de la potencia informática barata y la tecnología de receptores digitales en la década de 1980 provocó un resurgimiento del interés por la tecnología de radar pasivo. Por primera vez, estos permitieron a los diseñadores aplicar técnicas de procesamiento de señales digitales para explotar una variedad de señales de transmisión y usar técnicas de correlación cruzada para lograr una ganancia de procesamiento de señales suficiente para detectar objetivos y estimar su rango biestático y desplazamiento Doppler. Existían programas clasificados en varias naciones, pero el primer anuncio de un sistema comercial lo realizó Lockheed-Martin Mission Systems en 1998, con el lanzamiento comercial del sistema Silent Sentry, que explotaba transmisores de radio FM y televisión analógica.
Se han desarrollado sistemas de radar pasivo que aprovechan las siguientes fuentes de iluminación:
En general, se ha descubierto que las señales de los satélites son inadecuadas para el uso de radares pasivos, ya sea porque las potencias son demasiado bajas o porque las órbitas de los satélites son tales que la iluminación es demasiado infrecuente. La posible excepción a esto es la explotación de sistemas de radar y radio por satélite basados en satélites. En 2011, los investigadores Barott y Butka de la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle anunciaron resultados que aseguraban el éxito del uso de XM Radio para detectar aeronaves con una estación terrestre de bajo costo. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6096159
En un sistema de radar convencional, el tiempo de transmisión del pulso y la forma de onda transmitida se conocen con exactitud. Esto permite calcular fácilmente el rango del objeto y utilizar un filtro adaptado para lograr una relación señal-ruido óptima en el receptor. Un radar pasivo no tiene esta información directamente y, por lo tanto, debe usar un canal receptor dedicado (conocido como "canal de referencia") para monitorear cada transmisor que se explota y muestrear dinámicamente la forma de onda transmitida. Un radar pasivo normalmente emplea los siguientes pasos de procesamiento:
Estos se describen con mayor detalle en las secciones siguientes.
Un sistema de radar pasivo debe detectar retornos de objetivos muy pequeños en presencia de interferencia continua muy fuerte. Esto contrasta con un radar convencional, que escucha los ecos durante los períodos de silencio entre cada transmisión de pulso. Como resultado, es esencial que el receptor tenga una figura de ruido baja, un rango dinámico alto y una linealidad alta. A pesar de esto, los ecos recibidos normalmente están muy por debajo del piso de ruido y el sistema tiende a estar limitado por ruido externo (debido a la recepción de la señal transmitida en sí, más la recepción de otros transmisores distantes dentro de banda). Sistemas de radar pasivos utilizan receptor digital sistemas que la salida una digitalizada, muestreado de la señal.
La mayoría de los sistemas de radar pasivo utilizan conjuntos de antenas simples con varios elementos de antena y digitalización a nivel de elemento. Esto permite calcular la dirección de llegada de los ecos utilizando técnicas de formación de haces de radar estándar, como el monopulso de amplitud, utilizando una serie de haces fijos superpuestos o una formación de haces adaptativa más sofisticada. Alternativamente, algunos sistemas de investigación han utilizado solo un par de elementos de antena y la diferencia de fase de llegada para calcular la dirección de llegada de los ecos (conocida como interferometría de fase y similar en concepto a la interferometría de línea de base muy larga utilizada en astronomía).
Con algunos tipos de transmisores, es necesario realizar algún acondicionamiento específico del transmisor de la señal antes del procesamiento de correlación cruzada. Esto puede incluir filtrado de paso de banda analógico de alta calidad de la señal, ecualización de canal para mejorar la calidad de la señal de referencia, eliminación de estructuras no deseadas en señales digitales para mejorar la función de ambigüedad del radar o incluso reconstrucción completa de la señal de referencia a partir de la señal digital recibida.
La principal limitación en el rango de detección para la mayoría de los sistemas de radar pasivo es la relación señal / interferencia, debido a la gran y constante señal directa recibida del transmisor. Para eliminar esto, se puede utilizar un filtro adaptativo para eliminar la señal directa en un proceso similar al control de ruido activo. Este paso es esencial para asegurar que los lóbulos laterales de rango / Doppler de la señal directa no enmascaren los ecos más pequeños en la siguiente etapa de correlación cruzada.
En algunos casos específicos, la interferencia directa no es un factor limitante, debido a que el transmisor está más allá del horizonte u oscurecido por el terreno (como con el radar Manastash Ridge ), pero esta es la excepción y no la regla, ya que el transmisor normalmente debe estar dentro de la línea de visión del receptor para garantizar una buena cobertura de bajo nivel.
El paso de procesamiento clave en un radar pasivo es la correlación cruzada. Este paso actúa como el filtro adaptado y también proporciona las estimaciones del rango biestático y el cambio Doppler biestático de cada eco objetivo. La mayoría de las señales de transmisión analógicas y digitales son de naturaleza similar al ruido y, como consecuencia, tienden a correlacionarse solo con ellas mismas. Esto presenta un problema con los objetivos en movimiento, ya que el desplazamiento Doppler impuesto al eco significa que no se correlacionará con la señal directa del transmisor. Como resultado, el procesamiento de correlación cruzada debe implementar un banco de filtros emparejados, cada uno emparejado con un cambio Doppler objetivo diferente. Normalmente se utilizan implementaciones eficientes del procesamiento de correlación cruzada basadas en la transformada discreta de Fourier, en particular para formas de onda OFDM. La ganancia de procesamiento de la señal es típicamente igual al producto de ancho de banda de tiempo, BT, donde B es el ancho de banda de la forma de onda y T es la longitud de la secuencia de señal que se integra. Una ganancia de 50 dB no es infrecuente. Los tiempos de integración extendidos están limitados por el movimiento del objetivo y su mancha en el rango y Doppler durante el período de integración.
Los objetivos se detectan en la superficie de correlación cruzada aplicando un umbral adaptativo y declarando todos los retornos por encima de esta superficie como objetivos. Normalmente se utiliza un algoritmo estándar de tasa de falsas alarmas constante (CFAR) de promediado de celda.
El paso de seguimiento de línea se refiere al seguimiento de los retornos de objetivos de objetivos individuales, a lo largo del tiempo, en el espacio Doppler de rango producido por el procesamiento de correlación cruzada. Normalmente se utiliza un filtro Kalman estándar. La mayoría de las falsas alarmas se rechazan durante esta etapa del procesamiento.
En una configuración biestática simple (un transmisor y un receptor) es posible determinar la ubicación del objetivo simplemente calculando el punto de intersección del rumbo con la elipse de rango biestático. Sin embargo, los errores en el rumbo y el alcance tienden a hacer que este enfoque sea bastante inexacto. Un mejor enfoque es estimar el estado del objetivo (ubicación, rumbo y velocidad) a partir del conjunto de medición completo de rango biestático, rumbo y Doppler utilizando un filtro no lineal, como el filtro Kalman extendido o sin aroma.
Cuando se utilizan varios transmisores, cada transmisor puede detectar un objetivo. El retorno de este objetivo aparecerá en un rango biestático diferente y un cambio Doppler con cada transmisor, por lo que es necesario determinar qué retorno de objetivo de un transmisor corresponde con los de los otros transmisores. Habiendo asociado estos retornos, el punto en el que se cruzan las elipses del rango biestático de cada transmisor es la ubicación del objetivo. El objetivo se puede ubicar con mucha más precisión de esta manera, que confiando en la intersección de la medición del rumbo (inexacta) con una elipse de rango único. Nuevamente, el enfoque óptimo es combinar las mediciones de cada transmisor utilizando un filtro no lineal, como el filtro Kalman extendido o sin aroma.
La descripción anterior supone que la forma de onda del transmisor que se explota posee una función de ambigüedad de radar utilizable y, por tanto, la correlación cruzada produce un resultado útil. Algunas señales de transmisión, como la televisión analógica, contienen una estructura en el dominio del tiempo que produce un resultado muy ambiguo o inexacto cuando se correlacionan de forma cruzada. En este caso, el procesamiento descrito anteriormente es ineficaz. Sin embargo, si la señal contiene un componente de onda continua (CW), como un tono portador fuerte, entonces es posible detectar y rastrear objetivos de una manera alternativa. Con el tiempo, los objetivos en movimiento impondrán un cambio Doppler y una dirección de llegada cambiantes en el tono CW que es característico de la ubicación, la velocidad y el rumbo del objetivo. Por lo tanto, es posible utilizar un estimador no lineal para estimar el estado del objetivo a partir del historial de tiempo del Doppler y las mediciones de rumbo. Se ha publicado un trabajo que ha demostrado la viabilidad de este enfoque para el seguimiento de aeronaves utilizando el portador de visión de señales de televisión analógica. Sin embargo, el inicio de la pista es lento y difícil, por lo que el uso de señales de banda estrecha probablemente se considere mejor como un complemento del uso de iluminadores con mejores superficies de ambigüedad.
El rendimiento del radar pasivo es comparable al de los sistemas de radar convencionales de corto y medio alcance. El rango de detección se puede determinar utilizando la ecuación de radar estándar, pero se tiene en cuenta la ganancia de procesamiento y las limitaciones de ruido externo. Además, a diferencia de los radares convencionales, el alcance de detección también es función de la geometría de despliegue, ya que la distancia del receptor al transmisor determina el nivel de ruido externo contra el que deben detectarse los objetivos. Sin embargo, como regla general, es razonable esperar que un radar pasivo que utilice estaciones de radio FM alcance rangos de detección de hasta 150 km, para que las estaciones de TV analógica de alta potencia y las estaciones de HDTV de EE. UU. Logren rangos de detección de más de 300 km y para alimentación de señales digitales (como teléfonos móviles y DAB o DVB-T) para lograr rangos de detección de unas pocas decenas de kilómetros.
La precisión del radar pasivo es una función importante de la geometría de despliegue y del número de receptores y transmisores que se utilizan. Los sistemas que utilizan un solo transmisor y un receptor tenderán a ser mucho menos precisos que los radares de vigilancia convencionales, mientras que los radares multiestáticos son capaces de lograr una precisión algo mayor. La mayoría de los radares pasivos son bidimensionales, pero las mediciones de altura son posibles cuando el despliegue es tal que existe una variación significativa en las altitudes de los transmisores, el receptor y el objetivo, lo que reduce los efectos de la dilución geométrica de precisión ( GDOP ).
Los defensores de la tecnología citan las siguientes ventajas:
Los opositores a la tecnología citan las siguientes desventajas:
Los sistemas de radar pasivo están actualmente en desarrollo en varias organizaciones comerciales. De estos, los sistemas que se han anunciado públicamente incluyen:
También existen varios sistemas académicos de radar pasivo
La investigación sobre sistemas de radar pasivo es de creciente interés en todo el mundo, con varias publicaciones de código abierto que muestran la investigación y el desarrollo activos en los Estados Unidos (incluido el trabajo en los laboratorios de investigación de la Fuerza Aérea, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon, Universidad de Washington, Georgia). Tech / Georgia Tech Research Institute y la Universidad de Illinois ), en la Agencia C3 de la OTAN en los Países Bajos, en el Reino Unido (en Roke Manor Research, QinetiQ, Universidad de Birmingham, University College London y BAE Systems ), Francia (incluida la laboratorios gubernamentales de ONERA ), Alemania (incluidos los laboratorios de Fraunhofer-FHR ), Polonia (incluida la Universidad Tecnológica de Varsovia ). También hay una investigación activa sobre esta tecnología en varios laboratorios gubernamentales o universitarios en China, Irán, Rusia y Sudáfrica. La naturaleza de bajo costo del sistema hace que la tecnología sea particularmente atractiva para los laboratorios universitarios y otras agencias con presupuestos limitados, ya que los requisitos clave son menos hardware y más sofisticación algorítmica y poder computacional.
Gran parte de la investigación actual se centra actualmente en la explotación de señales de transmisión digitales modernas. El estándar de HDTV de EE. UU. Es particularmente bueno para los radares pasivos, ya que tiene una función de ambigüedad excelente y transmisores de muy alta potencia. El estándar de TV digital DVB-T (y el estándar de audio digital DAB relacionado) que se usa en la mayor parte del resto del mundo es más desafiante: las potencias del transmisor son menores y muchas redes están configuradas en un modo de "red de frecuencia única", en el cual todos los transmisores están sincronizados en tiempo y frecuencia. Sin un procesamiento cuidadoso, el resultado neto de un radar pasivo es como interferencias de repetidores múltiples.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y el Instituto de Tecnología de Georgia, con el apoyo de DARPA y la Agencia C3 de la OTAN, han demostrado que es posible construir una imagen de apertura sintética de un objetivo de avión utilizando un radar pasivo multiestático. Usando múltiples transmisores en diferentes frecuencias y ubicaciones, se puede construir un conjunto de datos denso en el espacio de Fourier para un objetivo dado. La reconstrucción de la imagen del objetivo se puede lograr mediante una transformada de Fourier rápida inversa (IFFT). Herman, Moulin, Ehrman y Lanterman han publicado informes basados en datos simulados, que sugieren que los radares pasivos de baja frecuencia (que utilizan transmisiones de radio FM) podrían proporcionar una clasificación de objetivos además de la información de seguimiento. Estos sistemas de reconocimiento automático de objetivos utilizan la potencia recibida para estimar el RCS del objetivo. La estimación de RCS en varios ángulos de aspecto a medida que el objetivo atraviesa el sistema multiestático se compara con una biblioteca de modelos de RCS de objetivos probables para determinar la clasificación del objetivo. En el último trabajo, Ehrman y Lanterman implementaron un modelo de vuelo coordinado para refinar aún más la estimación de RCS.
Investigadores de la Universidad de Washington operan un radar pasivo distribuido que aprovecha las transmisiones de FM para estudiar la turbulencia ionosférica a altitudes de 100 km y rangos de hasta 1200 km. Meyer y Sahr han demostrado imágenes interferométricas de turbulencia ionosférica con una resolución angular de 0,1 grados, al mismo tiempo que resuelven el espectro de potencia Doppler completo y sin alisar de la turbulencia.
La Universidad de Strathclyde está desarrollando un sistema en órbita para detectar y rastrear desechos espaciales desde pequeños fragmentos hasta satélites inactivos. El trabajo, apoyado por las agencias espaciales europeas y del Reino Unido, es una colaboración entre el Centro de excelencia aeroespacial y el Centro de procesamiento de señales e imágenes de la Universidad de Strathclyde. Clemente y Vasile han demostrado la viabilidad técnica de la detección de pequeños fragmentos de escombros utilizando una gama de iluminadores existentes y un receptor en órbita terrestre baja.
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