El radar pasivo (también conocido como radar parásito , ubicación coherente pasiva , vigilancia pasiva y radar encubierto pasivo ) es una clase de sistemas de radar que detectan y rastrean objetos procesando reflejos de fuentes de iluminación no cooperativas en el entorno, como las comerciales. señales de radiodifusión y comunicaciones. Se trata de un caso específico del radar biestático –radar biestático pasivo ( PBR )–, que es un tipo amplio que también incluye la explotación de transmisores de radar cooperativos y no cooperativos. [1] [2] [3]
Los sistemas de radar convencionales comprenden un transmisor y un receptor colocados , que normalmente comparten una antena común para transmitir y recibir. Se transmite una señal pulsada y el tiempo que tarda el pulso en viajar hacia el objeto y regresar 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 por reflexión del objeto. Esto permite determinar el alcance 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 del alcance biestático, Doppler y demora y, por lo tanto, mejorar significativamente la precisión de la trayectoria final.
El término "radar pasivo" a veces se utiliza incorrectamente para describir aquellos sensores pasivos que detectan y rastrean aeronaves por sus emisiones de RF (como radares, comunicaciones o emisiones de transpondedores ). Sin embargo, estos sistemas no explotan la energía reflejada y, por lo tanto, se describen con mayor precisión como medidas de soporte electrónico o sistemas antirradiación . Ejemplos bien conocidos incluyen los sistemas checos TAMARA y VERA y el sistema ucraniano Kolchuga .
El concepto de detección de radar pasivo utilizando señales de radio ambientales reflejadas que emanan de un transmisor distante no es nuevo. Los primeros experimentos con radar en el Reino Unido en 1935 realizados 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 permitiera cambiar una antena del modo de transmisión al modo de recepción. Así, muchos países utilizaban sistemas biestáticos en redes de defensa aérea a principios de la década de 1930. Por ejemplo, los británicos implementaron 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 desplegó en siete sitios (Limmen, Oostvoorne, Ostende, 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 biestáticos dieron paso a los sistemas monoestáticos con el desarrollo del duplexor en 1936. Los sistemas monoestáticos eran mucho más fáciles de implementar ya que eliminaban las complejidades geométricas introducidas por los sitios separados del transmisor y del receptor. Además, las aplicaciones aeronáuticas y navales se hicieron posibles a medida que se desarrollaron componentes más pequeños. A principios de la década de 1950, se volvieron a considerar los sistemas biestáticos cuando se descubrieron algunas propiedades interesantes de la energía dispersada del radar; de hecho, el término "biestático" fue utilizado por primera vez por Siegel en 1955 en su informe que describe estas propiedades. [4]
Uno de los sistemas de radar pasivo más grandes y complejos fue el RX12874 del Reino Unido , o "Winkle". 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 el radar convencional, lo que permitió rastrear y atacar al avión bloqueador a cientos de millas de distancia. Además, al indicar la ubicación del bloqueador, otros radares de la red Linesman/Mediator podrían reducir la sensibilidad de sus receptores cuando apuntan en esa dirección, reduciendo así la cantidad de interferencia recibida cuando apuntan cerca de la ubicación del bloqueador.
El auge de la potencia informática barata y la tecnología de receptores digitales en la década de 1980 provocó un resurgimiento del interés en la tecnología de radar pasivo. Por primera vez, esto permitió a los diseñadores aplicar técnicas de procesamiento de señales digitales para explotar una variedad de señales de transmisión y utilizar técnicas de correlación cruzada para lograr una ganancia de procesamiento de señales suficiente para detectar objetivos y estimar su alcance biestático y desplazamiento Doppler. Los programas clasificados existían en varios países, pero el primer anuncio de un sistema comercial fue por parte de Lockheed-Martin Mission Systems en 1998, con el lanzamiento comercial del sistema Silent Sentry, que explotaba transmisores de radio FM y televisión analógica. [5]
Se han desarrollado sistemas de radar pasivos que aprovechan las siguientes fuentes de iluminación:
En general, se ha descubierto que las señales de satélite son más difíciles de utilizar mediante radar pasivo, ya sea porque las potencias son demasiado bajas o porque las órbitas de los satélites son tales que la iluminación es demasiado infrecuente. Sin embargo, en los últimos años se han producido importantes avances en la zona. 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 afirmaban tener éxito al utilizar XM Radio para detectar aeronaves con una estación terrestre de bajo costo. [6]
En un sistema de radar convencional, se conoce exactamente el momento de transmisión del pulso y la forma de onda transmitida. Esto permite calcular fácilmente el alcance 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 utilizar 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 suele emplear 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 interferencias muy fuertes y continuas. Esto contrasta con un radar convencional, que escucha los ecos durante los períodos de silencio entre cada transmisión de pulso. Como resultado, el receptor debe tener una figura de ruido baja , un alto rango dinámico y una alta linealidad . A pesar de esto, los ecos recibidos normalmente están muy por debajo del nivel de ruido y el sistema tiende a estar limitado por el ruido externo (debido a la recepción de la señal transmitida en sí, más la recepción de otros transmisores distantes dentro de banda). Los sistemas de radar pasivos utilizan sistemas receptores digitales que emiten una señal muestreada y digitalizada .
La mayoría de los sistemas de radar pasivos utilizan conjuntos de antenas simples con varios elementos de antena y digitalización a nivel de elementos . Esto permite calcular la dirección de llegada de los ecos utilizando técnicas estándar de formación de haces de radar , como el monopulso de amplitud que utiliza una serie de haces fijos superpuestos o una formación de haces adaptativa más sofisticada . Alternativamente, algunos sistemas de investigación han utilizado sólo 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 de la señal específico del transmisor 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 alcance de detección para la mayoría de los sistemas de radar pasivos es la relación señal-interferencia, debido a la señal directa grande y constante recibida del transmisor. Para eliminar esto, se puede utilizar un filtro adaptativo para eliminar la señal directa en un proceso similar al control activo de ruido . Este paso es esencial para garantizar 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 o está oscurecido por el terreno (como con el radar Manastash Ridge Archivado el 5 de diciembre de 2002 en Wayback Machine ), pero esto 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 clave del procesamiento en un radar pasivo es la correlación cruzada . Este paso actúa como filtro adaptado y también proporciona estimaciones del rango biestático y del desplazamiento 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 únicamente entre sí mismas. Esto presenta un problema con 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 coincidentes, cada uno de los cuales coincide con un desplazamiento Doppler objetivo diferente. Generalmente se utilizan implementaciones eficientes del procesamiento de correlación cruzada basado en la transformada discreta de Fourier , en particular para formas de onda OFDM . [7] La ganancia de procesamiento de la señal suele ser igual al producto tiempo-ancho de banda, BT, donde B es el ancho de banda de la forma de onda y T es la longitud de la secuencia de la 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 como objetivos todos los retornos por encima de esta superficie. Normalmente se utiliza un algoritmo de tasa de falsas alarmas constante (CFAR) de promedio celular estándar .
El paso de seguimiento de líneas se refiere al seguimiento de los retornos de objetivos individuales, a lo largo del tiempo, en el espacio de rango Doppler 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 alcance 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 completo de mediciones de rango biestático, rumbo y Doppler utilizando un filtro no lineal , como el filtro de Kalman extendido o sin aroma .
Cuando se utilizan varios transmisores, cada transmisor puede detectar potencialmente un objetivo. El retorno de este objetivo aparecerá en un rango biestático y desplazamiento Doppler diferente con cada transmisor, por lo que es necesario determinar qué retornos de objetivo de un transmisor se corresponden con los de los otros transmisores. Habiendo asociado estos retornos, el punto en el que las elipses de alcance biestático de cada transmisor se cruzan es la ubicación del objetivo. El objetivo se puede localizar con mucha más precisión de esta manera que confiando en la intersección de la medición de rumbo (inexacta) con una elipse de rango único. Nuevamente, el enfoque óptimo es combinar las mediciones de cada transmisor usando un filtro no lineal, como el filtro Kalman extendido o sin perfume.
La descripción anterior supone que la forma de onda del transmisor que se está explotando posee una función de ambigüedad de radar utilizable y, por tanto, la correlación cruzada produce un resultado útil. Algunas señales de radiodifusión, 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 tratamiento descrito anteriormente será 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 desplazamiento Doppler cambiante y una dirección de llegada en el tono CW que es característico de la ubicación, velocidad y rumbo del objetivo. Por lo tanto, es posible utilizar un estimador no lineal para estimar el estado del objetivo a partir del historial temporal del Doppler y las mediciones de rumbo. Se han publicado trabajos que han demostrado la viabilidad de este método para el seguimiento de aeronaves utilizando la portadora de visión de señales de televisión analógicas . Sin embargo, el inicio de la pista es lento y difícil, por lo que probablemente sea mejor considerar el uso de señales de banda estrecha como complemento al 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 del ruido externo. Además, a diferencia de los radares convencionales, el alcance de detección también depende de la geometría de despliegue, ya que la distancia entre el receptor y el transmisor determina el nivel de ruido externo contra el cual se deben detectar los objetivos. Sin embargo, como regla general, es razonable esperar que un radar pasivo que utiliza estaciones de radio FM alcance alcances de detección de hasta 150 km, que las estaciones de televisión analógica de alta potencia y HDTV de EE. UU. alcancen alcances de detección de más de 300 km y que señales digitales de menor potencia (como teléfonos móviles y DAB o DVB-T) para alcanzar rangos de detección de unas pocas decenas de kilómetros.
La precisión del radar pasivo es una función importante de la geometría de implementación 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 precisiones algo mayores. La mayoría de los radares pasivos son bidimensionales, pero las mediciones de altura son posibles cuando el despliegue es tal que hay una variación significativa en las altitudes de los transmisores, el receptor y el objetivo, lo que reduce los efectos de la dilución geométrica de la precisión ( GDOP ).
Los defensores de la tecnología citan las siguientes ventajas:
Quienes se oponen a la tecnología citan las siguientes desventajas:
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Los sistemas de radar pasivos actualmente son [ ¿cuándo? ] 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 pasivos es de creciente interés en todo el mundo, con varias publicaciones de código abierto que muestran investigación y desarrollo activos en los Estados Unidos (incluido el trabajo en los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea, Lockheed-Martin Mission Systems, Raytheon , la 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 (incluyendo los laboratorios gubernamentales de ONERA ), Alemania (incluidos los laboratorios de Fraunhofer-FHR), Polonia (incluida la Universidad Tecnológica de Varsovia ). También hay investigaciones activas sobre esta tecnología en varios gobiernos o laboratorios 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 potencia computacional.
Gran parte de la investigación actual se centra actualmente en la explotación de las señales de radiodifusión digitales modernas. El estándar HDTV de EE. UU . es particularmente bueno para radares pasivos, ya que tiene una excelente función de ambigüedad y transmisores de muy alta potencia. El estándar de televisión digital DVB-T (y el estándar de audio digital DAB relacionado ) que se utiliza en la mayor parte del resto del mundo es más desafiante: las potencias del transmisor son menores y muchas redes se configuran en un modo de "red de frecuencia única", en el que Todos los transmisores están sincronizados en tiempo y frecuencia. Sin un procesamiento cuidadoso, el resultado neto para el radar pasivo es como múltiples repetidores inhibidores .
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 del objetivo de un avión utilizando un radar multiestático pasivo . Utilizando múltiples transmisores en diferentes frecuencias y ubicaciones, se puede construir un conjunto denso de datos en el espacio de Fourier para un objetivo determinado. La reconstrucción de la imagen del objetivo se puede lograr mediante una transformada rápida inversa de Fourier (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 clasificación de objetivos además de 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 RCS de objetivos probables para determinar la clasificación de los objetivos. En el último trabajo, Ehrman y Lanterman implementaron un modelo de vuelo coordinado para refinar aún más la estimación de RCS. [21]
Investigadores de la Universidad de Washington utilizan un radar pasivo distribuido que aprovecha las emisiones de FM para estudiar las turbulencias ionosféricas a altitudes de 100 km y con alcances de hasta 1.200 km. [22] 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 alias de la turbulencia. [23]
Silentium Defense ha lanzado el primer radar pasivo terrestre operativo diseñado específicamente para rastrear LEO. El Observatorio Oculus tiene su sede en Swan Reach, Australia del Sur , y planea escalar la tecnología a nivel mundial. Silentium tiene una gama de productos que respaldan aplicaciones tácticas y estratégicas que van desde la detección de drones y la vigilancia marítima hasta la búsqueda aérea y espacial de largo alcance. 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 el Reino Unido y las agencias espaciales europeas, 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 variedad de iluminadores existentes y un receptor en órbita terrestre baja. [24] [25] [26]
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