passive radars using non-cooperative ground- and satellite

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 185
Elektronika
2013
Piotr Samczyński
Instytut Systemów Elektronicznych
Politechnika Warszawska
PASSIVE RADARS USING NON-COOPERATIVE
GROUND- AND SATELLITE-BASED PULSE RADARS
AS ILLUMINATORS
Manuscript received 12th March, 2013
In this work, the problems of signal processing in passive radars that utilise noncooperative ground- and/or satellite-based pulse radar transmitters as illuminators of opportunity are considered. The work presents the entire signal processing chains carried out
in passive radars in their two different applications: for the detection of air targets with the
use of stationary, ground-based pulse radar transmitters, and for the mapping of ground
objects with the use of illumination from satellite-based pulse synthetic aperture radars
(SAR).
The work is divided into two main parts. In the first part, bistatic passive radars applied to air surveillance are considered. Various operating modes of such radars, which
utilise as illuminators radars with mechanically, as well as electronically scanning antennas, are discussed. The possibilities and constraints for their different operating modes are
analysed.
A number of the time-frequency methods, based on linear, bilinear and multilinear
transformations, dedicated for the estimation of received signal parameters are compared.
The problem of the multipath effect in passive radars is addressed, and the non-resistance of
the time-frequency methods to this effect is shown. As a method resistant to the multipath
effect, the Extended Generalised Chirp Transform (EGCT) has been applied. A method
for estimating the polynomial signal phase coefficients using an EGCT-based algorithm
is proposed. The algorithm has been verified via simulations and real measurements. The
methods for the estimation of both the pulse repetition frequency and the antenna rate of
the illuminating radar are also presented.
6
A new pulse synchronisation method for passive radars is proposed. This stage is a
crucial link in the signal processing chain in passive radars utilising non-cooperative illuminators. The method was verified using simulations and real data gathered during a
number of measurement experiments carried out on various testing fields.
In the second part of the work, the synthetic aperture radar techniques for the creation
of ground images are presented. The bistatic SAR geometry for the ground-based passive
receiver utilising a satellite-based SAR transmitter as an illuminator of opportunity is analysed. In order to obtain cross-range compression of signals in passive SAR radars, the FFT
algorithm has been proposed and verified. The problem of direct signal reception is discussed, and an algorithm for the removal of the strong direct signal from passive radar images based on CLEAN techniques was proposed and verified. As a result, effective ground
clutter removal properties of passive SAR radars are achieved.
The VHF- and S-band experimental passive bistatic radars for air surveillance, designed and constructed at the Warsaw University of Technology, are described. The results
of measurement experiments, and real examples of detecting air targets using these radars
are presented. Two C-band experimental bistatic passive SAR radars are described. The
first C-band radar was developed at the Warsaw University of Technology, and the second
one at the Royal Military Academy in Brussels with which the author cooperated under
the NATO RTG. Examples of real passive SAR images using different bistatic geometries
(forward and backward), and various C-band receivers are presented. The X-band bistatic
passive SAR radar demonstrator, developed at the Warsaw University of Technology, is
also described. Examples of real passive SAR images obtained with the use of this radar
are presented.
List of acronyms
ASAR
ATC
COTS
DAB
DMPR
DVB-T
CMD
CO
EDA
EGCT
EnviSat-1
EOLi
ESA
ESM
EW
FFT
FM
GCT
Advanced Synthetic Aperture Radar – SAR radar operating in the C band
Air Traffic Control
Commercial Off-The-Shelf
Digital Audio Broadcasting
Deployable Multiband Passive/Active Radar
Digital Video Broadcasting–Terrestrial
Coherent MapDrift
Contrast Optimisation
European Defence Agency
Extended Generalised Chirp Transform
Environmental Satellite-1 - Earth-observing satellite
Earth Observation Link
European Space Agency
Electronic Support Measures
Early Warning
Fast Fourier Transform
Frequency Modulation
Generalised Chirp Transform
Streszczenie
RADARY PASYWNE WYKORZYSTUJĄCE JAKO ŹRÓDŁA OŚWIETLENIA
NIEKOOPERUJĄCE IMPULSOWE RADARY NAZIEMNE I SATELITARNE
W pracy omówiono problematykę przetwarzania sygnałów w radarach pasywnych wykorzystujących jako źródło oświetlenia niekooperujące nadajniki impulsowych radarów naziemnych i satelitarnych. Przedstawiono pełne cykle przetwarzania sygnałów w radarach pasywnych w przypadku
ich dwóch różnych zastosowań: do wykrywania obiektów powietrznych z wykorzystaniem stacjonarnych naziemnych impulsowych nadajników radarowych oraz do tworzenia zobrazowań obiektów
naziemnych z wykorzystaniem jako źródeł oświetlenia impulsowych radarów satelitarnych SAR z
syntetyczną aperturą.
Praca jest podzielona na dwie zasadnicze części. W części pierwszej rozpatrzono bistatyczne radary pasywne przeznaczone do obserwacji przestrzeni powietrznej. Przedyskutowano różne tryby
pracy tych radarów w przypadkach ich oświetlenia przez radary z mechanicznie, jak również z elektronicznie sterowanymi wiązkami antenowymi. Przeanalizowano potencjalne możliwości i ograniczenia tego typu radarów dla różnych trybów ich pracy.
Dokonano porównania różnych metod analizy czasowo-częstotliwościowej, opartych na liniowych, biliniowych i multiliniowych transformacjach, pod kątem ich wykorzystania do estymacji parametrów sygnałów odbieranych przez radar. Pokazano, że metody te są nieodporne na zjawisko wielodrogowości sygnałów występujące w radarach pasywnych. Jako metodę odporną na efekt wielodrogowości zastosowano rozszerzoną uogólnioną transformację świergotową (ang. Extended Generalised
Chirp Transform – EGCT). Zaproponowano metodę estymacji współczynników wielomianowej fazy
sygnału z zastosowaniem algorytmu opartego na transformacji EGCT. Algorytm ten został zweryfikowany symulacyjnie oraz na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych. Przedstawiono także
metodę estymacji częstotliwości powtarzania impulsów oraz prędkości obrotowej anteny nadawczej
radaru oświetlającego.
Zaproponowano metodę synchronizacji impulsów w radarze pasywnym. Ten etap przetwarzania
jest krytycznym ogniwem w łańcuchu przetwarzania sygnałów w radarach pasywnych wykorzystujących obce źródła oświetlenia. Metoda została zweryfikowana symulacyjnie i z wykorzystaniem
danych rzeczywistych zgromadzonych podczas szeregu eksperymentów pomiarowych przeprowadzonych w warunkach poligonowych.
W drugiej części pracy omówiono techniki tworzenia obrazów Ziemi za pomocą pasywnych radarów SAR. Przeanalizowano bistatyczną geometrię SAR w naziemnych pasywnych odbiornikach
radarowych wykorzystujących jako źródło oświetlenia satelitarne nadajniki SAR. W celu kompresji
odbieranych sygnałów w kierunku azymutalnym zaproponowano i zweryfikowano algorytm z wykorzystaniem transformacji FFT. Przedyskutowano problem przenikania do odbiornika radaru pasywnego SAR sygnału bezpośredniego. W celu jego usunięcia z otrzymanych obrazów zaproponowano
algorytm oparty na technikach typu CLEAN. W wyniku uzyskano efektywne usuwanie clutteru ziemnego z pasywnych zobrazowań SAR.
W dalszym ciągu pracy opisano eksperymentalne radary pasywne obserwacji przestrzeni powietrznej pracujące w pasmach VHF oraz S, zaprojektowane i skonstruowane w Politechnice Warszawskiej. Przedstawiono wyniki eksperymentów pomiarowych oraz rzeczywiste przykłady detekcji
obiektów powietrznych uzyskane za pomocą tych radarów. Opisano dwa eksperymentalne radary
pasywne pracujące w paśmie C: pierwszy zaprojektowany w Politechnice Warszawskiej, drugi - w
Królewskiej Akademii Wojskowej w Brukseli, z którą autor współpracuje w ramach grupy roboczej
NATO RTG. Przytoczono przykłady rzeczywistych pasywnych obrazów SAR otrzymanych w przypadku różnych bistatycznych geometrii (w przód i wstecz) i różnych odbiorników pasma C. Ponadto
opisano demonstrator radaru pasywnego pracujący w paśmie X, opracowany i skonstruowany w Politechnice Warszawskiej, i pokazano przykłady rzeczywistych obrazów SAR uzyskanych za pomocą
tego demonstratora.