Experimental signaling and propagation analysis of a bistatic passive radar exploiting hdtv station emissions in the Attica region

Abstract

Since the onset of radar surveillance operations, there have been many steps towards the development of its technology. Even with the latest radar technology, like Low Probability of Intercept (LPI) signals and the use of Electronic Counter Measures (ECM), the active radars are very vulnerable against the new type of threats like Anti-Radiation Missiles (ARM), Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and Stand-Off Jammers (SOJ). The drawback of the active radars is the enemy’s ability to detect, localize, jam, disrupt or destroy them from their transmitting energy. The evolution of radar technology came up with the category of passive radars or Passive Coherent Locators (PCL). The passive radars brought a new era to the radar sector because they could counter all the problems of the active radars. Passive radars did not emit and they used the existing electromagnetic energy, to locate their targets from transmitters like HDTV, FM-radios, cellular network antennas, and active radars. Taking into account the above-mentioned reasons, this thesis is focused on the passive radars, along with their working environment, which is the troposphere. Atmospheric effects and propagation mechanisms were analyzed, as well as their effects on the electromagnetic waves were studied. Additionally, the tropospheric propagation modeling was included in order to prove that the Parabolic Equations (PE) techniques can efficiently help to obtain fast solutions to very large radiowave propagation problems. From the research on the Parabolic Equations (PE) and other models like the Longley-Rice (ITM), the current radar propagation assessment tools emerged. One of the most powerful tools, for the prediction of the propagation mechanisms and their refractive effects, is Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS). AREPS capabilities were fully exploited in this thesis, to predict and analyze the propagation of the radiowaves across the troposphere. Particularly, it was used for the data processing and production of radiocoverage maps, along with other useful plots, for the experimental area’s DVB-T stations. Except for the DVB-T signals, the LPI signals were analyzed in this study, which can be transmitted by a PCL beacon as a part of a broader multistatic passive radar network. Also, a localization technique for a multistatic passive radar was featured with the use of MATLAB. Finally, a Bistatic Radar system was succesfully built and tested in an environment where more than one HDTV stations were transmitting. The terrain and the urban structures of the area affected the DVB-T signal reception, along with some propagation problems that were discovered. Thus, all these parameters were analyzed deeply exploiting all the available means, and conclusions were drawn for a future multistatic radar design.

Από την απαρχή της χρήσης των ραντάρ ως μέσο επιτήρησης, έχει υλοποιηθεί μεγάλη πρόοδος όσον αφορά το τεχνολογικό του υπόβαθρο. Ωστόσο, ακόμα και μέσω της ενσωμάτωσης νέων τεχνολογιών, όπως LPI κυματομορφές και Ηλεκτρονικά Αντίμετρα, δεν επετεύχθει η κάλυψη των αδύναμων σημείων ενός ενεργού ρανταρ. Μέσω της εκπομπής ηλεκτρομαγνητικών παλμών, το ενεργό ραντάρ είναι ευάλωτο απέναντι στα μέσα Καταστολής της Αεράμυνας όπως βλήματα αντι-ραντάρ (ΑRM), παρεμβολείς και Μη Επανδρωμένα Αεροσκάφη (UAV, drones), τα οποία μπορούν να το εντοπίσουν, να το παρεμβάλλουν ή ακόμα και να το καταστρέψουν. Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ραντάρ ανέδειξε ένα νέο μέσο, το οποίο ονομάστηκε παθητικό ραντάρ (PCL), και αντιμετώπιζε αποτελεσματικά όλες τις αδυναμίες του ενεργού ραντάρ. Η λειτουργία του βασίζεται στην στην εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Μέσω της επεξεργασίας διαφορετικών κυματομορφών όπως της ψηφιακής τηλεόρασης, του ραδιοφώνου, του δικτύου κινητής τηλεφωνίας και των ενεργών ραντάρ, το παθητικό ραντάρ μπορεί να εντοπίζει στόχους. Για τους ανωτέρω λόγους, η διατριβή αυτή βασίστηκε στην ανάλυση των παθητικών ραντάρ, όπως επίσης και στην έρευνα του περιβάλλοντος λειτουργίας τους, που δεν είναι άλλο από την τροπόσφαιρα. Αναλύθηκαν όλα τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα και οι μηχανισμοί διάδοσης τους, όπως και οι επιδράσεις τους πάνω στην διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επιπλέον, εισήχθη η μοντελοποίηση της τροποσφαιρικής διάδοσης μέσω της μεθόδου των παραβολικών εξισώσεων, η οποία μπορεί να επιλύσει ταχύτατα προβλήματα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Από την έρευνα πάνω στις παραβολικές εξισώσεις, όπως και στο μοντέλο Longley-Rice (ΙΤΜ), έχουν προκύψει τα σύγχρονα συστήματα αξιολόγησης της διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για τα ραντάρ. Ένα από αυτά τα συστήματα ονομάζεται AREPS, και δύναται να προβλέπει την ύπαρξη φαινομένων διάθλασης και των ανάλογων μηχανισμών διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην τροπόσφαιρα. Το εν λόγω λογισμικό χρησιμοποίηθηκε ευρέως στην διατριβή αυτή για την αξιολόγηση των δεδομένων, και την παραγωγή χαρτών ραδιοκάλυψης, όπως και άλλων διαγραμμάτων, των σταθμών ψηφιακής τηλεόρασης οι οποίοι εκπέμπουν στην περιοχή που μας αφορά ερευνητικά. Όμως πλήν των σημάτων της ψηφιακής τηλεόρασης, στη διατριβή αυτή αναλύθηκαν και τα LPI σήματα, τα οποία δύναται να εκπέμπονται από ραδιοφάρους ενός ευρύτερου δικτύου πολυστατικών ραντάρ. Επιπλέον, προτάθηκε και υλοποιήθηκε μέσω του λογισμικού MATLAB, μια τεχνική για την εξαγωγή της θέσης ενός στόχου από ένα σύστημα πολυστατικού ραντάρ. Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε ένα σύστημα διστατικού ραντάρ, το οποίο και δοκιμάστηκε σε μια περιοχή την οποία κάλυπταν περισσότεροι του ενός σταθμοί ψηφιακής τηλεόρασης. Το ανάγλυφο, o αστικός ιστός και ορισμένα φαινόμενα διάδοσης επηρέασαν την λήψη των σημάτων ψηφιακής τηλεόρασης. Τέλος, όλες οι παράμετροι της έρευνας αναλύθηκαν διεξοδικά και πραγματοποιήθηκε η εξαγωγή συμπερασμάτων, η οποία στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθεί για την σχεδίαση ενός νέου πολυστατικού συστήματος ραντάρ.