Capitolo 1

Capitolo 1

I Sistemi Radar passivi

I sistema radar passivi (o Passive Coherent Location) sono una classe di sistemi radar che rivelano bersagli sfruttando i segnali provenienti da trasmettitori non cooperanti, come emittenti radio, TV, GSM, UMTS ecc.

Nei prossimi paragrafi, dopo una premessa storica sui sistemi PCL (paragrafo 1.1), cercheremo di fare una panoramica delle principali caratteristiche di un radar passivo evidenziando i vantaggi di questo sistema.

1.1

Dal radar bistatico al radar passivo

L'IEEE definisce il radar bistatico come “un sistema radar che usa

antenne in diverse posizioni per trasmissione e ricezione” [1].

I sistemi radar bistatici sono stati studiati e costruiti fin dai primordi del radar. Il brevetto rilasciato all'ingegnere Christian Hülsmeyer nell'aprile del 1904 trattava di un sistema che oggi chiameremmo bistatico a onda continua, capace di rivelare la presenza di oggetti metallici (navi) a qualche chilometro di distanza per mezzo di onde elettriche [2].

Nel 1922 A. Taylor e L.C. Young della US Naval Research Laboratory rilevarono una nave usando un radar bistatico a onda continua.

Nei primi anni ‘30 molte nazioni sfruttavano radar bistatici a onda continua per controllare il loro spazio aereo. Ad esempio, la Gran Bretagna utilizzava il sistema CHAIN HOME, l’Unione Sovietica impiegava un sistema chiamato RUS-1, mentre i Giapponesi svilupparono un radar bistatico CW chiamato “Type A”. Durante la Seconda Guerra mondiale i tedeschi usavano un sistema passivo bistatico chiamato Kleine Heildelberg. Questo ricevitore, situato ad Ostenda in Belgio, aveva il compito di sfruttare i radar inglesi CHAIN HOME come trasmettitori per rilevare aerei nella parte Sud del Mare del Nord [2-3-4].

Nel 1936 i laboratori di ricerca navale degli Stati Uniti crearono il duplexer. Questo dispositivo permise di utilizzare la stessa antenna sia in trasmissione che in ricezione con una notevole semplificazione, oltre che della geometria del sistema, anche della sincronizzazione fra trasmettitore e ricevitore. Dagli anni ‘40 in poi si è assistito al passaggio da struttura

bistatica a monostatica.

Nonostante ciò Willis [5] ha notato che l'interesse per il radar bistatico tende a variare in maniera ciclica nel corso degli anni e, approssimativamente ogni quindici anni, si ha il picco del ciclo. Infatti, è intorno al 1955 che il termine ‘bistatico’ è utilizzato per la prima volta da Seigel ed è all’inizio degli anni ‘70 che le ricerche nel campo dei radar bistatici sono intensificate. I motivi di tanto interesse nei confronti del radar bistatico risiedono nel fatto che il ricevitore è passivo, quindi non rilevabile e questo rende il sistema poco vulnerabile ad attacchi elettronici (ECM: Electronic Countermeasures). Inoltre i sistemi bistatici sono adatti a rivelare bersagli 'invisibili' (stealthy) che sono progettati per avere una RCS monostatica molto piccola. Il prezzo da pagare per questi vantaggi è un aumento della complessità del sistema e del processing.

Ma è grazie ai progressi tecnologici degli ultimi anni che lo studio dei radar bistatici si è consolidato. Le principali innovazioni tecnologiche che hanno portato a rivalutare il sistema bistatico sono i processori ad alta velocità (DSP), le antenne array e l'impiego del GPS per la sincronizzazione trasmettitore-ricevitore.

Nel 1998 la Lockheed-Martin Mission System ha lanciato sul mercato il sistema Silent Sentry, che non è altro che un radar bistatico che sfrutta le emissioni elettromagnetiche di trasmettitori radio FM o TV analogica.

Negli ultimi anni e in particolare a partire dal 2001, c'è stato un crescente interesse per radar bistatici simili al Silent Sentry, cioè sistemi che sfruttano le emissioni elettromagnetiche di trasmettitori non cooperanti, detti Radar Passivi (PR) o Passive Coherent Location (PCL). Il progetto di un PR riguarda solo il ricevitore, e questo permette di abbassare i costi del sistema hardware. I trasmettitori non cooperanti sono chiamati illuminatori di

opportunità. Alcuni esempi possono essere le stazioni TV, le stazioni radio,

le base station e altri tipi di radar; in teoria tutto ciò che emette onde elettromagnetiche può essere sfruttato per costruire un radar passivo.

1.2

Principio di funzionamento di un PR

Nell'analizzare le caratteristiche di un radar passivo bisogna tenere presente che la forma d'onda trasmessa non è sotto il controllo del progettista radar, il cui compito consiste invece nel ricavare un apparato di ricezione in grado di garantire determinate prestazioni scegliendo l'illuminatore più adatto.

Il ricevitore PCL richiede in genere due canali [6], uno che fornisce il segnale di riferimento (“reference channel”), l'altro (“detection channel”) che permette la rivelazione del bersaglio. Il segnale di riferimento o diretto è il segnale trasmesso dall'illuminatore di opportunità che viene prelevato puntando un'antenna in direzione del trasmettitore. Il segnale utile è invece il segnale di riferimento riflesso dal bersaglio in direzione del ricevitore.

Il reference channel è usato per prelevare il segnale diretto dal trasmettitore in modo da fornire un riferimento rispetto al quale si possa paragonare il segnale riflesso dal bersaglio. L'idea di catturare il segnale di riferimento e correlarlo con il segnale ricevuto, rende il ricevitore PCL coerente, e questo spiega il termine coherent nella frase Passive Coherent

Location. Il termine Location invece sta ad indicare che il sistema è in grado

di valutare la distanza, la velocità radiale e, possibilmente, l'azimut o l'angolo di elevazione del bersaglio [6].

In Figura 1.1 [7] è mostrato un tipico scenario per un sistema PCL.

L'operazione di cross-correlazione tra segnale diretto e segnale target è la

funzione ambiguità di cui parleremo dettagliatamente nel Capitolo 3. Per ora

ci limitiamo a introdurre che tale funzione dipende dalla frequenza Doppler e dal ritardo tra segnale target e segnale di riferimento (o dalla distanza dal ricevitore), che presenta dei picchi in corrispondenza di certi punti nel piano

(Figura 1.2), e che se l'ampiezza dei picchi è oltre una certa soglia possiamo affermare che in corrispondenza di quel punto c'è un bersaglio (Figura 1.3).

Figura 1.1: PCL configuration [7]

Inoltre, dall'estensione del picco nelle due dimensioni si può risalire alla risoluzione in distanza e frequenza Doppler (velocità radiale) del sistema.

Figura 1.2: Ambiguity function from an example FM radio broadcast [8]

1.3

Equazione bistatica del radar

In Figura 1.4 è mostrata la disposizione geometrica di bersaglio, trasmettitore e ricevitore per un radar bistatico.

La distanza d è la bistatic baseline, r₀ è la distanza trasmettitore-bersaglio,

r è la distanza target-ricevitore, β è l'angolo bistatico.

Figura 1.4: Bistatic geometry [1]

2 2 2 0

4

4

4

PG

G

P

r

r

σ

λ

π

π

π

=

×

×

P

P

G

G

λ è la lunghezza d'onda del segnale in metri b

σ è la RCS bistatica(BRCS) in m2

r

r

Il primo termine dell’equazione (1.1) a secondo membro rappresenta la densità di potenza per unità di superficie emessa dal trasmettitore, mentre il secondo è la quota di potenza che dal bersaglio viene diretta nella direzione del ricevitore, infine il terzo termine è l’area efficace dell’antenna espressa in funzione del guadagno in ricezione.

In generale, non c’è una formula esatta per valutare la BRCS, ma esiste una relazione che può condurre a buone approssimazioni.

Si possono individuare tre regioni al variare di β: quasi-monostatic,

bistatic e forward-scatter.

All’interno della prima regione, la BRCS può essere approssimata con la RCS monostatica moltiplicata per cos(β/2), questo è vero per piccoli angoli bistatici (β < 5°) e alle basse frequenze.

Oltre i 5° (regione bistatic) la BRCS si discosta maggiormente da quella monostatica e in generale si può affermare che:

-20 dB < bistatica monostatica

σ

Un caso limite si ha quando il bersaglio si trova sulla baseline, cioè β = 180° (regione forward-scatter). Anche se con questa configurazione geometrica si perde l'informazione della distanza, si ottiene un aumento dell'intensità del fenomeno di diffusione ( scattering ) anche per i bersagli

stealthy. Questo fatto può essere capito considerando il principio di Babinet,

il quale stabilisce che un bersaglio perfettamente assorbente genera lo stesso scattering diretto (forward scatter) di quello prodotto da un’apertura su una lamina perfettamente conduttrice con la stessa forma del bersaglio ( a parte uno sfasamento di 180° ).

In questo caso la BRCS può essere calcolata da:

2 2 4 b A

π

σ

λ

A è l'area geometrica del bersaglio λ è la lunghezza d'onda

Nell’equazione (1.1), se sostituiamo P_r con il minimo livello di potenza rilevabile SMIN che può essere espresso come:

MIN 0 MIN S r n n S P kT B F N   = =     (1.2) dove: k è la costante di Boltzmann(1.38x10-23 )

T0 è la temperatura di riferimento per valutare la cifra di rumore (290°K)

B_n è la banda equivalente di rumore del ricevitore

Fn è la cifra di rumore (noise figure ) del ricevitore

Se ricaviamo Pr da (1.2) e la sostituiamo in (1.1), includendo dei fattori di

perdita come L_pt (≤1), che considera le perdite da trasmettitore a target, e L_pr (≤1), che considera le perdite da target a ricevitore, otteniamo l’equazione (1.3) che può essere considerata il punto di partenza per l’analisi di un sistema PCL: l’equazione bistatica del radar.

2 3 2 2 0 0

(4 )

PG G

L L

P

S

N

P

r r kT B F

λ

σ

π





=

=









Nel triangolo di Figura 1.1 formato dal trasmettitore, dal ricevitore e dal target, se il prodotto tra r₀ e r è costante, il luogo geometrico dei punti

definito dalle posizioni del target è noto come ovale di Cassini (Figura 1.5).

Gli ovali mostrati nelle Figure 1.5-1.6 sono contorni i cui punti forniscono dei livelli di potenza (o SNR) costanti al ricevitore.

Figura 1.6: Ovali di Cassini su piani perpendicolari

Per ottenere gli ovali di Cassini dobbiamo considerare tutti i parametri dell’equazione bistatica, tranne r e r₀ costanti, in questo modo la (1.3) può essere vista come:

2 2 0

S

K

N

r r





=









Questa versione semplificata dell’equazione bistatica evidenzia che per ogni punto dello spazio il SNR (potenza ricevuta) che ho al ricevitore dipende solo dalla posizione del bersaglio rispetto al trasmettitore e al

ricevitore. In pratica la (1.4) fornisce la copertura di un volume spaziale nel caso in cui le antenne in trasmissione e ricezione sono isotropiche.

Nell’utilizzare l’equazione bistatica del radar per prevedere le prestazioni di un radar passivo, è necessario conoscere i valori corretti per ogni tipo di illuminatore. È quindi necessario uno studio preliminare delle caratteristiche di ogni illuminatore di opportunità come la potenza media trasmessa, il tipo di antenne impiegato, le frequenze di funzionamento, la modulazione del segnale trasmesso, ecc.

I principali tipi di illuminatori di opportunità sono:

Trasmettitori TV analogica e digitale

Trasmettitori radio FM, AM, DAB (Digital Audio Broadcasting)

Basestation GSM

Basestation UMTS

Le caratteristiche principali sono riassunte in tabella 1.1.

Tabella 1.1: Parametri per gli illuminatori di opportunità

Intervallo di Frequenza

Modulazione Banda del

segnale/canale Pt (valori tipici) Radio FM 88÷108 MHz FM 75KHz 1÷12 kW Canali A - H: 50-230 MHz (VHF) 7MHz TV analogica _{470-870 MHz} canali 21÷ 69 (UHF) VSB video FM audio _8MHz 0.1÷10kW TV digitale Stessa canalizzazione TV analogica C-OFDM 8MHz 0.1÷1kW BTS GSM 890÷1880MHz GMSK 200KHz 10÷100W BTS 3G(UMTS) 1885÷2025 2110÷220 QPSK 5MHz Max 20W

Come si può intuire la copertura spaziale e temporale dipenderà dalla posizione del trasmettitore e del ricevitore, dal diagramma di irradiazione dell’antenna in trasmissione e ricezione, ma anche dal modo di trasmettere, ad esempio può capitare che l’illuminatore non sia in funzione per 24 h al giorno e in questo modo si perdono eventuali proprietà di stazionarietà.

Un esempio di come la potenza al ricevitore dipende dal guadagno d’antenna può essere visto in Figura 1.7.

1.4

Il segnale ricevuto

θ

Figura 1.8: tipica configurazione PCL, in ROSSO è evidenziato θ

Secondo Griffiths e Baker [9] il segnale che arriva al ricevitore può essere espresso come una funzione bidimensionale P_i

(

)

Il segnale utile sarà affetto da una serie di fattori che portano una degradazione delle prestazioni quali:

i. cifra di rumore del ricevitore

ii. segnale diretto dal trasmettitore che sicuramente ha una potenza maggiore di quella dell'eco del bersaglio e quindi lo maschera

iii. versioni multipath del segnale diretto

iv. versioni multipath di altri canali di trasmissione v. vari segnali impulsivi

L'entità dei diversi fattori di disturbo dipende fortemente dall'ambiente operativo, ovvero dalla geometria bistatica e dalla conformazione geografica del territorio. Tra i fattori di degradazione delle prestazioni quello che porta maggiori problemi è il segnale diretto poiché, senza un’opportuna compensazione, questa forte componente impedirebbe la rivelazione del bersaglio.

Griffiths e Baker [9] elencano delle tecniche che possono essere usate per sopprimere o attenuare il segnale diretto:

I. Schermatura

II. Processing Doppler (Fourier)

III. Antenne ad alto guadagno nella zona di sorveglianza IV. Cancellazione lobi laterali

V. Beamforming adattativo VI. Filtraggio adattativo

Ognuna di queste tecniche agisce in maniera diversa nel piano (θ, f ), in particolare la schermatura e il Beamforming agiscono sulla direzione del segnale ricevuto eliminando o attenuando certe direzioni, mentre il processing Doppler e il filtraggio adattativo si occupano di scegliere le frequenze più opportune per distinguere il segnale diretto dai bersagli mobili. Utilizzando invece antenne ad alto guadagno e beamforming adattativo è possibile sfruttare contemporaneamente segnali provenienti da più

Per ridurre l'effetto del segnale diretto l'antenna del canale di sorveglianza può essere progettata in modo da avere un guadagno molto basso nella direzione di trasmissione e un guadagno alto nella zona da sorvegliare.

1.5

Schema a blocchi

Nei sistemi radar convenzionali gli istanti di trasmissione dell’impulso e la forma d’onda trasmessa sono completamente noti. Come già anticipato nei paragrafi precedenti un radar passivo non ha questa informazione e deve procurarsela sfruttando il canale di riferimento.

Un tipico schema a blocchi di un radar passivo è mostrato in Figura 1.9 [4].

Questo schema è utile perché dà una visione d’insieme di quelle che sono le parti principali della progettazione di un radar passivo.

ö importante notare che il ricevitore deve essere in grado di rivelare

segnali molto deboli anche in presenza di un segnale molto forte come quello diretto, questo significa che deve avere una bassa cifra di rumore e una notevole linearità.

L'antenna al ricevitore è in genere costituita da un array a scansione elettronica del fascio che, sfruttando le tecniche di beamforming come monopulse o beamforming adattativi, può individuare la direzione di arrivo dell'eco.

del segnale come ad esempio fare l’equalizzazione del canale per aumentare la qualità del segnale di riferimento, oppure rimuovere delle periodicità nel segnale di riferimento al fine di migliorare la funzione di ambiguità (blocchi Signal Conditioning in Figura 1.9).

La principale limitazione per la maggior parte dei sistemi radar passivi è il livello di potenza del segnale utile che risulta mascherato dal segnale diretto. Il blocco Adaptative Cancellation si occupa di eliminare questo problema. Il blocco fondamentale in un radar passivo è quello che si occupa della cross-correlazione. Questo blocco agisce come filtro adattato nei radar monostatici, e inoltre fornisce la stima della distanza bistatica e frequenza doppler del bersaglio. La maggior parte dei segnali broadcast digitali o analogici è

noise-like e di conseguenza essi tendono a correlare con loro stessi. Questo è

sicuramente un problema con i bersagli mobili, in quanto lo shift doppler imposto dal bersaglio impedisce che l’eco correli con il segnale diretto proveniente dal trasmettitore. Come risultato, per non perdere il rapporto segnale-rumore, si implementa un banco di filtri adattati ognuno con un’opportuna frequenza Doppler; quello che si ottiene è la funzione di

ambiguità di cui abbiamo accennato al paragrafo 1.2 e che tratteremo più nel

dettaglio nel Capitolo 3.

L'operazione di correlazione determina un guadagno che si riflette nell'equazione bistatica del radar [9-10]. Tale guadagno, chiamato guadagno di processing G_p, dipende dalla banda del ricevitore B e dal tempo entro il quale gli echi possono essere considerati coerenti con il segnale di riferimento T_max.

B è la banda del segnale diretto, mentre una regola applicata nella pratica

ci dice che il tempo massimo di integrazione è : 1 2

( )

max r

T = λ A , dove A_r è l'accelerazione radiale del bersaglio.

Da questi dati si ottiene che il guadagno di processing è dato da:

Quindi dopo l’operazione di correlazione ho che il SNR viene incrementato di un fattore G_p: 2 3 2 2 0 0

(4 )

PG G

L L

P

SNR

G

P

r r kT BF

λ

σ

π

=

=

Ad esempio con un segnale FM di banda 50 kHz e un tempo di integrazione pari a 1s miglioro il SNR di 37dB.

In genere l'operazione di rivelazione è eseguita sulla superficie di cross-correlazione (funzione ambiguità) applicando una soglia adattativa con l'algoritmo standard CFAR. Ad esempio si può applicare l’algoritmo Cell-Averaging CFAR in distanza e poi in Doppler [11].

La fase successiva riguarda il tracking del bersaglio, dove in genere viene utilizzato il filtro di Kalman.

In una semplice configurazione bistatica (un trasmettitore e un ricevitore) è possibile determinare la posizione del bersaglio calcolando semplicemente il punto di intersezione tra la direzione di massima irradiazione dell’antenna e l’ellisse corrispondente al ritardo dell’eco (bistatic-range ellipse).

Un approccio migliore consiste nello stimare le caratteristiche del bersaglio (bistatic range doppler e bearing) utilizzando un filtro di Kalman esteso [11].

1.6

Performance

Le prestazioni di un sistema radar passivo sono in genere piuttosto complesse da determinare, a causa della variabilità della forma d’onda e della configurazione geometrica trasmettitore-ricevitore target.

Comunque per un sistema radar passivo che usa stazioni FM è ragionevole attendersi rivelazioni di bersagli fino a 150 km dal ricevitore, mentre per TV digitale fino a qualche decina di chilometri dal ricevitore; questa discrepanza è dovuta soprattutto alle differenti potenze impiegate.

La massima distanza di rivelazione per PCL che sfruttano le basestation GSM/UMTS è invece fissata dal raggio della cella.

dalla geometria del sistema. Sicuramente possiamo affermare che la configurazione bistatica semplice è meno accurata rispetto ai sistemi radar monostatici, mentre in configurazioni multistatiche si possono avere prestazioni migliori rispetto ai radar convenzionali.

1.7

Applicazioni e Vantaggi

I radar passivi possono essere utilizzati per la sorveglianza dello spazio aereo o marittimo [12], per l’oceanografia [13], nel monitoraggio del livello di inquinamento [14], per studiare temporali e fulmini [14] e nel monitoraggio del traffico autostradale. Inoltre possono essere sfruttati come supporto a sistemi radar esistenti.

Questa varietà e diversità di applicazioni è indicativa del crescente interesse nei confronti del PCL.

Tanta attrattiva nei confronti di tale sistema è giustificata da:

• bassi costi per funzionamento e manutenzione, dovuti alla mancanza del trasmettitore

• dimensioni fisiche piccole, che permettono di posizionare il radar in posti in cui normalmente non potrebbe essere

• possibilità di poter eseguire operazioni di sorveglianza senza essere rilevati

• difficoltà di jamming

• possibilità di ottenere ampie coperture con ridotto impatto sull’ambiente

• costi di procura più bassi rispetto ai normali radar

risulta essere un problema, per il PCL è invece un vantaggio perché significa poter attingere l'informazione da più fonti.

Nonostante i numerosi vantaggi, gli svantaggi più evidenti per un sistema PCL sono:

• complessità di implementazione del sistema

• lunghi tempi di integrazione per ottenere valori accettabili di SNR • impossibilità di progettare accuratamente la forma d’onda trasmessa

Inoltre per poter simulare in modo più dettagliato il comportamento dei sistemi PCL è necessario disporre anche di maggiori misure della BRCS nelle frequenze degli illuminatori.

Esempi di sistemi passivi sono il Silent Sentry della Lockheed Martin, che sfrutta le stazioni FM; la TV analogica e digitale [15] (Figura 1.10); il CELLDAR della Roke Manor Research, che sfrutta le basestation GSM [16]; il Manastash Ridge Radar [12], che sfrutta le stazioni radio FM; altri sistemi sono stati costruiti in Ucraina e Cina.

La ricerca sui sistemi radar passivi è in continua crescita, a testimonianza di questo ci sono varie pubblicazioni che mostrano come sia forte l’interesse per questo tipo di sistemi.

Negli Stati Uniti chi si occupa principalmente di radar passivi sono i laboratori dell’Air Force, la Lockheed-Martin Mission Systems, l’Università di Washington, e l’Università dell’Illinois. Nel Regno Unito sono la Roke Manor Research, l‘Università di Birmingham e la BAE Systems, in Francia sono i laboratori di ONERA, e in Germania quelli di FGAN-FHR. Ci sono inoltre ricerche nei laboratori di Russia e Cina. La natura a basso costo del sistema rende questa tecnologia particolarmente interessante per laboratori di ricerca universitaria. La maggior parte delle ricerche attuali si sta focalizzando sull’utilizzazione di segnali broadcast digitali.

Negli US lo standard HDTV è particolarmente adatto per radar passivi, grazie alla buona funzione di ambiguità e alle alte potenze in trasmissione.