Pomysł radaru pasywnego towarzyszy nam już prawie 100 lat. Swoje początki miał jeszcze przed drugą wojną światową. Na zdjęciu z rysunku 1 widzimy jeden z pierwszych radarów aktywnych – Chain Home używany przez Anglików do wykrywania Niemieckich nalotów. Niemcy wykorzystali jego sygnał do skonstruowania radaru pasywnego i dzięki temu ominęły ich koszty związane z budową potężnych nadajników1.
Rysunek 1. Brytyjski radar Chain Home 2
Mimo tak długiej historii radiolokacja pasywna wciąż jest tematem aktualnym i szybko rozwijającym się. Zdjęcie z rysunku 2 przedstawia prototyp polskiego systemu PET-PCL. Chociaż wciąż trwają nad nim badania, jest to obecnie jeden z najbardziej zaawanso-wanych systemów radiolokacji pasywnej na świecie.
Rysunek 2. Polski system PET-PCL 3
Defnicja
Istnieją różne definicje radaru pasywnego jednak wszystkie są zgodne co do tego, że taki radar nie nadaje żadnego sygnału i korzysta z innych nadajników. Według najbardziej luźnych definicji, radarem pasywnym jest nawet najprostszy odbiornik systemu ADSB – który po prostu odbiera dane o położeniu i prędkości samolotów – dane nadawane przez same samoloty. Radar pasywny może być też o wiele bardziej skomplikowany, na przykład posiadać tzw. odbiornik korelacyjny i działać na zasadach podobnych do radaru szumowego. Radar szumowy jak sama nazwa wskazuje nadaje szum, który odbija się od obiektu i jego część wraca do anteny odbiornika. Odbiornik korelacyjny posiada kopię nadawanego szumu czyli sygnał referencyjny. Jego działanie polega na szukaniu kopii sygnału referencyjnego w sygnale odebranym. Kopie te będą przesunięte w czasie co wynika z odległości w jakiej znajduje się obiekt. Mogą też być przesunięte w częstotliwości w związku z występowaniem efektu dopplera kiedy obserwowany obiekt się porusza. Radar pasywny działa w sposób bardzo podobny ale występują tu dwie podstawowe różnice. Po pierwsze sygnałem nadawanym nie jest szum a transmisja radiowa (może to być na przykład sygnał telewizyjny). Poza tym radar pasywny z założenia działa w konfiguracji bistatycznej lub multistatycznej. To znaczy, że nadajnik znajduje się w dużej odległości od odbiornika. Sygnał referencyjny można wtedy uzyskać na przykład poprzez wykorzystanie dodatkowej anteny odbiorczej skierowanej wprost na nadajnik.
Rysunek 3. Idea radaru pasywnego w porównaniu z radarem szumowym
W uproszczeniu: taki typ radaru pasywnego to radar szumowy, w którym źródłem entropii są istniejące transmisje radiowe i taki, który działa w konfiguracji bistatycznej tzn. nadajnik znajduje się w dużej odległości od odbiornika. Rozwiązanie to powoduje wiele, problemów, z których trzy najważniejsze to:
- konfiguracja bistatyczna,
- niekorzystna postać sygnału,
- nieprzewidywalne zachowanie nadajnika.
Skutkiem bistatycznej konfiguracji radaru jest niejednoznaczność pomiaru położenia obiektu. Klasyczny radar aktywny w konfiguracji monostatycznej mierzy odległość radialną wynikającą z czasu jaki fala radiowa potrzebuje na pokonanie drogi od radaru do obiektu i od obiektu do radaru. Radar pasywny mierzy odległość bistatyczną. Wynika ona z czasu jaki jest potrzebny aby fala pokonała drogę od nadajnika do obiektu i od obiektu do odbiornika, mając jednocześnie na względzie to, że sygnał referencyjny tez potrzebuje czasu na pokonanie drogi od nadajnika do odbiornika. To oznacza, że echo może pochodzić od obiektu znajdującego się w dowolnym miejscu na elipsie (w układzie 2 wymiarowym na obrazku), lub elipsoidzie w układzie trójwymiarowym (rzeczywistość). Do określenia dokładnego położenia obiektu potrzebna jest fuzja danych pomiarowych z kilku par nadajnik – odbiornik.
Funkcja nieoznaczoności
Odbiorniki realizują funkcję nieoznaczoności, będącą funkcją odległości bistatycznej i prędkości bistatycznej. W dużym uproszczeniu można ją nazwać korelacją sygnału referencyjnego i odebranego – stąd odbiornik korelacyjny. Funkcja ta jest dana poniższym wzorem:
$\gamma (R,V) = \int x(t)y(t)^*(t - \frac{R}{c})e^{j2\pi \frac{Vf_c}{c}}dt$
Gdzie:
- $x(t)$ – sygnał referencyjny,
- $y(t)$ – sygnał odebrany,
- $R$ – odległość bistatyczna,
- $V$ – prędkość bistatyczna,
- $f_c$– częstotliwość nośna,
- $c$ – prędkość światła.
Zalety radaru pasywnego
- Jest trudny do wykrycia i zakłócania, co czyni go idealnym w zastosowaniach militarnych;
- Posiada dobrą kompatybilność elektromagnetyczną i nie wpływa na działanie innych urządzeń w pobliżu;
- Składa się wyłącznie z układów odbiorczych więc nie wymaga użycia drogich i silnych nadajników – koszty związane z nadawaniem sygnału oświetlającego cele ponosi ktoś inny.
- Bezpieczny dla otoczenia i przyjazny naturze.
Więcej o radarach pasywnych dowiesz się na przedmiocie Sygnały radiolokacyjne i metody ich przetwarzania (103B-ELEIK-MSP-SRMP) lub uczestnicząc w seminariach organizowanych przez Koło Naukowe Radiolokacji i Cyfrowego przetwarzania Sygnałów.
Bibliografia
1 H. Kuschel and D. O’Hagan, „Passive radar from history to future”, 11-th INTERNATIONAL RADAR SYMPOSIUM, 2010, pp. 1-4.