El radar pasivo (también conocido como radar parásito , localización coherente pasiva , vigilancia pasiva y radar encubierto pasivo ) es una clase de sistemas de radar que detectan y rastrean objetos mediante el procesamiento de reflexiones de fuentes de iluminación no cooperativas en el entorno, como señales de radiodifusión y comunicaciones comerciales. Es un caso específico de 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 ubicados en el mismo lugar, que normalmente 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 regresar permite determinar el alcance del objeto.
En un sistema de radar pasivo, no hay un transmisor dedicado. En su lugar, el receptor utiliza transmisores de terceros en el entorno y mide la diferencia de tiempo de llegada entre la señal que llega directamente desde el transmisor y la señal que llega por reflexión desde el 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. Esto permite calcular la ubicación, el rumbo y la velocidad del objeto. En algunos casos, se pueden emplear varios transmisores y/o receptores para realizar varias mediciones independientes de alcance biestático, Doppler y rumbo y, por lo tanto, mejorar significativamente la precisión de la trayectoria final.
El término "radar pasivo" se utiliza a veces de forma incorrecta para describir los sensores pasivos que detectan y rastrean aeronaves mediante sus emisiones de radiofrecuencia (como las emisiones de radar, comunicaciones o transpondedores ). Sin embargo, estos sistemas no aprovechan la energía reflejada y, por lo tanto, se describen con más precisión como sistemas de medida de soporte electrónico o sistemas antirradiación . Algunos ejemplos bien conocidos son los sistemas checos TAMARA y VERA y el sistema ucraniano Kolchuga .
El concepto de detección pasiva por radar mediante señales de radio ambientales reflejadas que emanan de un transmisor distante no es nuevo. Los primeros experimentos con radar realizados 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 permitiera cambiar una antena del modo de transmisión al de recepción. Por ello, muchos países utilizaban sistemas biestáticos en 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 biestático de CW llamado RUS-1, y los japoneses desarrollaron un radar biestático de CW 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 Cherburgo) y funcionó como receptor biestático, utilizando los radares británicos Chain Home como iluminadores no cooperativos, para detectar aeronaves 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 de transmisor y receptor. Además, las aplicaciones a bordo de aeronaves y barcos se hicieron posibles a medida que se desarrollaban 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 describía 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 inhibidor de radar que era tan poderoso que parecía inutilizar los radares de larga distancia. Winkle podía localizar las transmisiones del carcinotrón con la misma precisión que el radar convencional, lo que permitía rastrear y atacar a la aeronave que lo inhibía a cientos de millas de distancia. Además, al indicar la ubicación del inhibidor, otros radares en la red Linesman/Mediator podían reducir la sensibilidad de sus receptores cuando apuntaban en esa dirección, reduciendo así la cantidad de interferencia recibida cuando apuntaban cerca de la ubicación del inhibidor.
El aumento de la potencia informática barata y de la tecnología de receptores digitales en la década de 1980 condujo a 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 su desplazamiento Doppler. Existían programas clasificados en varias naciones, pero el primer anuncio de un sistema comercial fue realizado por 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 pasivo que aprovechan las siguientes fuentes de iluminación:
En general, las señales satelitales han resultado más difíciles de detectar 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. Sin embargo, en los últimos años se han producido avances significativos en este ámbito. La posible excepción a esto es la explotación de sistemas de radar y radio satelitales basados en satélites . En 2011, los investigadores Barott y Butka de la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle anunciaron resultados que afirmaban haber obtenido resultados satisfactorios utilizando la radio XM para detectar aeronaves con una estación terrestre de bajo coste. [6]
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 la distancia 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 de receptor dedicado (conocido como "canal de referencia") para monitorear cada transmisor que se esté utilizando y muestrear dinámicamente la forma de onda transmitida. Un radar pasivo generalmente emplea los siguientes pasos de procesamiento:
Estos se describen con mayor detalle en las secciones siguientes.
Un sistema de radar pasivo debe detectar ecos de objetivos muy pequeños en presencia de interferencias continuas muy fuertes. Esto contrasta con un radar convencional, que escucha ecos durante los períodos de silencio entre cada transmisión de pulso. Como resultado, el receptor debe tener un factor de ruido bajo , un rango dinámico alto y una linealidad alta . 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 en la banda). Los sistemas de radar pasivo utilizan sistemas de receptores digitales que emiten una señal digitalizada y muestreada .
La mayoría de los sistemas de radar pasivos 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 estándar de formación de haces de radar , como el monopulso de amplitud que utiliza una serie de haces fijos superpuestos o la 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 un acondicionamiento específico de la señal antes del procesamiento de correlación cruzada. Esto puede incluir un 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 la 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 señal directa grande y constante que se recibe 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 garantizar que los lóbulos laterales de alcance/Doppler de la señal directa no enmascaren los ecos más pequeños en la etapa de correlación cruzada posterior.
En algunos casos específicos, la interferencia directa no es un factor limitante, debido a que el transmisor está más allá del horizonte o está oculto por el terreno (como con el Manastash Ridge Radar Archivado el 5 de diciembre de 2002 en Wayback Machine ), 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 clave del procesamiento 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 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 solo entre sí. 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 adaptados, cada uno adaptado a un desplazamiento Doppler de objetivo diferente. Por lo general, se utilizan implementaciones eficientes del procesamiento de correlación cruzada basadas en la transformada de Fourier discreta , en particular para formas de onda OFDM . [7] La ganancia de procesamiento de 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 está integrando. Una ganancia de 50 dB no es infrecuente. Los tiempos de integración prolongados están limitados por el movimiento del objetivo y sus manchas en el rango y el efecto Doppler durante el período de integración.
Los objetivos se detectan en la superficie de correlación cruzada aplicando un umbral adaptativo y declarando que todos los retornos por encima de esta superficie son objetivos. Normalmente se utiliza un algoritmo de tasa de falsas alarmas constante (CFAR) de promedio de celdas estándar.
El paso de seguimiento de línea se refiere al seguimiento de los retornos 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 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 alcance biestático, rumbo y Doppler utilizando un filtro no lineal , como el filtro Kalman extendido o sin aroma .
Cuando se utilizan varios transmisores, cada uno de ellos puede detectar un objetivo. El retorno de este objetivo aparecerá en un rango biestático y un desplazamiento Doppler diferentes con cada transmisor, por lo que es necesario determinar qué retornos de objetivo de un transmisor se corresponden con los de los otros transmisores. Una vez asociados estos retornos, el punto en el que se cruzan las elipses de rango biestático de cada transmisor es la ubicación del objetivo. El objetivo se puede localizar de forma mucho más precisa de esta manera que si se basa en la intersección de la medición de rumbo (inexacta) con una única elipse de rango. 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 está explotando posee una función de ambigüedad de radar utilizable y, por lo 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 altamente 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 de desplazamiento Doppler y una dirección de llegada 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 temporal de las mediciones Doppler y de rumbo. Se han publicado trabajos que han demostrado la viabilidad de este enfoque para rastrear aeronaves utilizando la portadora de visión de señales de televisión analógica . 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 debe tener en cuenta adecuadamente la ganancia de procesamiento y las limitaciones de ruido externo. Además, a diferencia del radar convencional, el rango de detección también es una función de la geometría de despliegue, ya que la distancia del receptor al 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 rangos de detección de hasta 150 km, que las estaciones de TV analógica de alta potencia y HDTV de EE. UU. alcancen rangos de detección de más de 300 km y que las señales digitales de menor potencia (como el teléfono celular y DAB o DVB-T) alcancen rangos de detección de unas pocas decenas de kilómetros.
La precisión de los radares pasivos depende en gran medida de la geometría de despliegue y del número de receptores y transmisores que se utilicen. 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 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 la precisión ( GDOP ).
Los defensores de la tecnología citan las siguientes ventajas:
Los opositores a la tecnología citan las siguientes desventajas:
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En la actualidad , varias organizaciones comerciales están desarrollando sistemas de radar pasivos. Entre ellos, los sistemas que se han anunciado públicamente incluyen :
También existen varios sistemas de radar pasivo académicos:
La investigación sobre sistemas de radar pasivos despierta un interés creciente en todo el mundo, con varias publicaciones de código abierto que muestran una 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 , la Universidad de Birmingham, University College London y BAE Systems ), Francia (incluidos los 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.
Actualmente, gran parte de la investigación actual se centra en la explotación de las señales de transmisión digital modernas. El estándar estadounidense HDTV es particularmente bueno para el radar pasivo, 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 de los transmisores son menores y muchas redes están configuradas 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 si hubiera múltiples repetidores bloqueadores .
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 aeronave utilizando un radar multiestático pasivo . Utilizando múltiples transmisores en diferentes frecuencias y ubicaciones, se puede construir un conjunto de datos denso en el espacio de Fourier para un objetivo determinado. La reconstrucción de la imagen del objetivo se puede lograr a través de una transformada rápida de Fourier 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 clasificación de objetivos además de información de seguimiento. Estos sistemas de reconocimiento automático de objetivos utilizan la potencia recibida para estimar la 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 del objetivo. En el último trabajo, Ehrman y Lanterman implementaron un modelo de vuelo coordinado para refinar aún más la estimación de RCS. [20]
Los investigadores de la Universidad de Washington utilizan un radar pasivo distribuido que explota transmisiones FM para estudiar la turbulencia ionosférica a altitudes de 100 km y alcances de hasta 1200 km. [21] Meyer y Sahr han demostrado imágenes interferométricas de la turbulencia ionosférica con una resolución angular de 0,1 grados, al tiempo que resuelven el espectro de potencia Doppler completo y sin alias de la turbulencia. [22]
Silentium Defence ha lanzado el primer radar pasivo terrestre operativo diseñado específicamente para rastrear LEO. El Observatorio Oculus tiene su base en Swan Reach, Australia del Sur, y tiene planes de ampliar 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, respaldado por las Agencias Espaciales del Reino Unido y Europa, 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 desechos utilizando una gama de iluminadores existentes y un receptor en órbita terrestre baja. [23] [24] [25]
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