Радиолокатор на веревке, или создание пассивной радиолокационной системы на базе SDR приемника. Перевод.

Введение

Статья вводная о пассивной радиолокации из подручных средств, излагается от первого лица.
Все представленные материалы собственность автора — 
Оригинал статьи — здесь.
SDR — (англ. Software-defined radio) программно-определяемая радиосистема.

Начнем с подтверждения работоспособности. Представленное выше видео, на котором показано обнаружение и измерение параметров траектории самолетов и метеоров, я выполнил с помощью более чем простого набора оборудования: два 8-ми долларовых SDR USB ТВ-тюнера стандарта DVB-T, купленные на Ebay, две логопериодические антенны. С помощью этого набора, вы можете построить радиолокационную систему, измеряющую сигналы существующих передатчиков и их отражение от целей.

Итак, давайте начнем!

Пассивные радары — это разновидность радиолокационных устройств, которые не требуют наличия в своем составе передатчика. Вместо этого, они используют возможности передатчиков, предоставленных кем-то еще, для радиолокационной подсветки целей. Это могут быть местные раио- или телевизионные широковещательные станции, имеющие мегаваттные мощности. Преимущества перед традиционными радиолокаторами следующие:

  1. Вы не нуждаетесь в собственном передатчике, что есть хорошо, ибо мощные радиопередающие устройства велики, дороги, потребляют много энергии и содержат опасные составные части.
  2. Быть оператором пиратской радиолокационной станции может и звучит интересно, но вам реально лучше ничего не излучать в эфир без лицензии. Пассивный радар позволит использовать киловатты или мегаватты эффективной излучаемой мощности, не нарушая никаких законов и правил.
  3. Пассивная радиолокационная станция является многопозиционной по сути. Одна станция может использовать несколько передающих устройств, расположенных в различных местах. Это позволит строит трехмерные траектории радиолокационных целей. Есть много объектов у которых эффективная площадь рассеивания (ЭПР) зависит от углов подсветки. Хороший пример — отражающий след метеора, который имеет значительную ЭПР только когда угол подсветки и угол обзора представляют собой зеркальную комбинацию. При многопозиционной радиолокационной системе больше шансов, что цели такого типа будут видны, так как имеется большое количество источников подсветки с различных направлений в каждый момент времени.
  4. Имеется много радиопередающих устройств: телевизионные станции, радиостанции FM и AM диапазонов наиболее очевидны, но и телефонные (GSM) и спутниковые передающие станции можно использовать для пассивной радиолокации. Эти передатчики имеют широкий диапазон частот, что очень полезно для дистанционного радиозондирования, так как характеристики распространение, рассеивания радиоволн в различных средах, как и отражения от целей, сильно зависят от частоты. Например, если цель не имеет достаточной ЭПР на одной частоте, то шанс, что ЭПР повыситься на другой частоте достаточно велик.

Рис. 1. Схема простого пассивного радиолокатора. Мощный коммерческий передатчик подсвечивает радиолокационные цели, самолеты и хвосты метеоров, ориентированные так, что позволяет приемнику фиксировать их отраженное излучение. 

Рис. 2 Эксперимент Уотсона-Уотта и Вилкинса по обнаружению бомбардировщика Хейфорд с помощью пассивного радиолокатора, проведенный в Давентри в 1935. Одна антенна использовалась для получения прямого сигнала с коротковолновой радиостанции BBC. Производился сдвиг фазы этого сигнала и затем он использовался для вычитания прямого сигнала передатчика из принятого на второй антенне, таким образом оставляя эхо от самолета.

В то время как, большинство радиолокационных систем, которые мы знаем сегодня, имеют передатчики, идея пассивной радиолокации уходит далеко в прошлое. Один из первых радиолокационных экспериментов может быть отнесен к пассивной радиолокации. В 1935 году, сэр Роберт Александр Уотсон-Уотт и его коллега Арнольд Уилкинс провели первый эксперимент по радиолокационному сопровождению самолета путем определения отраженных сигналов от бомбардировщика Хейфорд, подсвечиваемого коротковолновой радиостанцией BBC. На рис. 2 показаны две дипольные антенны и мобильная лаборатория используемые для измерения. Эта новаторская работа легла в основу системы раннего радиолокационного предупреждения, которая спасла множество жизней в течении Второй Мировой Войны.

Имеется большое количество гражданских применений пассивной радиолокации. Интересна идея использования пассивного радара для геофизического и астрономического радиолокационного дистанционного зондирования. Например, существует пассивная радиолокационная система геофизического дистанционного зондирования Manastash Ridge Passive Radar developed at the University of Washington, которая используется для изучения ионосферных неоднородностей, возникающих во время геомагнитных штормов. В последние 15 лет, технология стала более доступной, что позволяет проводить такого типа наблюдения с помощью легкодоступных аппаратных средств.

Указанная станция использует FM передатчики для пассивной радиолокации, с которых вероятно проще всего начать, так как полосы пропускания отдельных радиостанций относительно невелики. Благодаря FM радиостанция вы можете, как правило, наблюдать не только ионосферные неоднородности, но следы метеоров,  движущиеся самолеты, летающие в радиусе 100..600 км вокруг вас. Запись измерений, которые я сделал в течении геомагнитного шторма, показаны на рис. 3. Вы можете видеть полученные с помощью пассивной радиолокации большие постоянные ионосферные возмущения движущиеся в поля зрения со скоростями 1000 м/с связанные с северным сиянием.

Рис. 3 Пример пассивного радиолокационного мониторинга с использованием излучения FM радиостанций, который показывает измеренные отраженные сигналы от самолетов и ионосферных неоднородностей в время недавней геомагнитной бури. Используется цветовое кодирование на основе дистанции, времени, интенсивности и смещении фазы сигналов. Часть доплеровского спектра, уходящая от приемника, используется для определения значений красного канала, сдвиг частоты в сторону уменьшения на спектре (часть не движется очень быстро) используется для определения интенсивности зеленого канала, а часть доплеровских сдвигов, которые указывают на то, что объект движется на приемник, используется для определения значений синего канала.

Красный, зеленый и синий каналы используются для формирования RGB кода цвета пикселя экрана в каждый момент времени.

Дело в том, что подобные наблюдения, вы можете делать самостоятельно. Если есть программное обеспечения с открытым кодом для анализа данных. Это открывает дверь для граждан, интересующихся широким диапазоном тем: 

  •  Обзор метеоров в метеорных радиантах. CMOR нашел около 12 новых метеорных потоков, только посмотрев на радиант. Это был активный радар, но такой же результат можно достичь пассивной радиолокационной системой, работающей в ТВ диапазоне. Радиолокатор позволит обозревать большее количество метеоров чем при использовании оптической системы.
  • Отображение местоположения северных сияний  и наличия сильных ионосферных электрических полей по наблюдению эхосигналов от ионосферных неоднородностей. Это рассказывает нам о взаимодействии солнечного света и плазмы, окружающей нашу планету.
  • Измерение атмосферных ветров используя эффект Доплера отраженных сигналов от хвостов метеоров.

Если расположить пассивные радиолокационные станции во всех частях мира, потенциальная возможность получения новых научных открытий намного повысится.

Набор оборудования

Удивительно мало оборудования нужно для построения простого пассивного радиолокатора:

  • Персональный компьютер (двухядерный, не новее пяти лет будет достаточно);
  • Двухканальный SDR радиоприемник;
  • Две антенны.

Рис. 5

К примеру, пара приемных антенн, используемых для пассивного радиолокатора FM диапазона показана на рис. 4. Это две логопериодические широкодиапазонные антенны, с некоторой степенью направленности. Одна из антенн ориентирована по направлению на FM радиостанцию и используется для измерения прямого сигнала с передатчика. Другая антенна противоположно ориентирована и используется для измерения отраженных сигналов. Все примеры, представленные в этой статье, получены используя данных антенн.

Сигнал, принятые на эти две антенны, нужно записать в связанной манере. Это значит, что нам необходимо два связанных канала. Это обычно достигается использованием общего тактового сигнала, для моментов преобразования частоты с понижением и для аналого-цифрового преобразования. На рисунках ниже представлены устройства, имеющиеся в продаже, которые можно использовать для создания пассивного радиолокатора.

Рис. 6

На рис. 6 два доработанных USB донгла на базе чипа RTLSDR R820T (сейчас уже R820T2). На рис. 7 — USRP N200 SDR на базе двухканального TVRX2 ТВ тюнера. Несколько предупреждающих слов перед тем как помчаться реализовывать  RTL SDR подход: есть тонкие хитрости, которые необходимо сделать чтобы все работало, чтобы связать сигналы и выровнять центральные частоты двух потоков данных. Ограниченный динамический диапазон сделает достаточно трудным получение хороших измерений системой, так как необходима тщательная регулировка для получения достаточно хорошего сигнала в приемнике, избегая при этом сжатия или подрезку уровня. Но это может быть сделано, если у вас хватит терпения. Я постараюсь поделиться этими хитростями в последующих статьях.

a USRP N200 with a TVRX2 daughterboard capable of measuring two receiver channels

Рис. 7

Для того чтобы повысить точность пассивной радиолокационной системы, она должна иметь предварительный усилитель и полосовой фильтр перед входом в приемник для снижения шумов измерений и повышения уровня сигнала, что важно для цифрового приемника.

Обработка сигналов

Чтобы получить отраженные сигналы с помощью пассивного радиолокатора, необходимо добавить магию обработки для записанных с помощью оборудования измерений В первую очередь, необходимо избавится от сильных прямых сигналов, чтобы получить слабые отраженные. Роберт Уотсон-Уотт и Арнольд Вилкинс просто использовали противофазный относительно прямому сигнал в их раннем Даввентревском эксперименте. Современное развитие обработки сигналов может предложить лучший выход, можно не только вычитать прямой сигнал с передатчика, но и отражения от гор и других больших объектов, которые могут маскировать интересующий нас эхо-сигнал. Это реализуется путем использования хорошо известного метода статистической обработки сигналов, называемого линейной аппроксимацией методом наименьших квадратов для деконволюции (нахождения оригинала функции) фазы и амплитуды отраженных сигналов от гори и других протяженных неподвижных объектов (называемых в радиолокации Clutter).

После того, как прямой и переотраженные сигналы будут оценены, мы можем вычесть их из измеренных сигналов и выполнить обработку слабых эхо сигналов от самолетов и метеоров. Поэтому мы знаем, что слабые эхо-сигналы от целей, которые нам интересны, имеют Доплеровское сдвиг и Доплеровское расширение спектра частот, однако неподвижные цели не обнаруживаются нами, так как отнесены к паразитным отражениям. Однако мы все еще можем предположить, что цель обладает расширением Доплеровского спектра, сохраняющемся в длительном периоде времени и может быть оценен. Это позволяет нам выполнить деконволюцию автокорреляционной функции принятого эхосигнала. Хотя это и звучит сложно, но в реальности это не так.

После того, как это будет проделано, мы сможем визуализировать результаты. Если мы можем видеть самолеты, наш локатор работает. Одновременно с тем, что самолеты являются радиолокационно заметными, так они еще и постоянно вокруз нас, что делает их наблюдение наиболее простым. Метеоры менее часто появляются в небе, но могут быть относительно просто обнаружены, если вы знаете что искать. Они появляются как быстрые пиковые сигналы с околонулевым Доплеровским свигом.

Пеленг цели

Может быть создано большое количество различных вариантов пассивных радиолокаторов FM диапазона. К примеру, добавив третью приемную антенну, мы сможем определить направление на объект путем сравнения разности фаз (времени доставки) сигналов, принятых на двух разнесенных антеннах. На видео ниже показаны измерения разносит фаз сигналов на двух приемных антеннах. Значения разности фаз используется для цветового кодирования пикселей, а интенсивность эхо-сигналов для определения его яркости. Снова можно наблюдать большое количество самолетов и отраженные сигналы от метеоров.

Рис. 8 Две приемные антенна пассивного радиолокатора. Отраженные сигналы приходят на антенны с разницей во времени, которая потом используются для определения угла направления на цель.

Вот и все для этой статьи. В последующих, я расскажу более детально как работает пассивный радиолокатор на практике.

 

PS.: Оригинальную статью решил перевести для себя, как начало ознакомления с темой пассивной радиолокации, эксперименты с которой можно проводить на доступном дешевом оборудовании. Автор, как следует из статьи, планировал представить продолжение, где бы раскрыл подробности «железной» и программной модернизации. Сходу продолжения найти не удалось. Так как, только вникаю в тему, то возможно буду править перевод по мере изучения материала. «Настольная» радиолокация — это очень интересно!)

 

Запись опубликована в рубрике Пассивная радиолокация, Перевод. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

         
Подписаться на новые статьи блога:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.