Wykorzystanie radarów w ochronie zewnętrznej obiektów

Systemy ochrony rozległych obiektów strategicznych lub infrastruktury krytycznej, do których (w terminologii europejskiej) zalicza się bazy wojskowe, lotniska, magazyny sprzętu wojskowego i paliw, zbiorniki wodne itp., są rozwijane i stosowane od niemal ćwierć wieku. Dlatego kryteria podziału czujników do ochrony zewnętrznej obiektów są łatwo identyfikowalne. Urządzenia można wyróżnić według sposobu i miejsca instalacji, stosowanej w nich metody obróbki sygnału, rodzaju użytego czujnika działającego zgodnie ze ściśle określonym prawem fizycznym czy też według czynnika powodującego alarm. Wykorzystują one głównie technologie czujników liniowych o zasięgu strefowym (200–300 m), przyjmujące nazwy od sposobu rozmieszczania czujników:

• czujniki ogrodzeniowe, punktowe i kablowe (elektryczne i światłowodowe) rozmieszczane na ogrodzeniu,
• czujniki naziemne – to głównie aktywne bariery mikrofalowe i podczerwieni oraz radary,
• czujniki ziemne – kablowe zakopywane w gruncie na głębokości rzędu 15–30 cm, elektryczne, magnetyczne, światłowodowe, ciśnieniowe itp.

Niniejszy artykuł jest poświęcony technice radarowej i jej wykorzystaniu w ochronie zewnętrznej obiektów.

Podstawowe informacje o technice radarowej

Radar jest to urządzenie służące do wykrywania za pomocą fal radiowych obiektów powietrznych, nawodnych oraz lądowych, takich jak samoloty, śmigłowce, rakiety, statki (również chmury oraz obiekty terenowe), pozwalające na określenie kierunku, odległości, a także wielkości obiektu, a w przypadku radarów dopplerowskich służące także do pomiarów prędkości wykrywanego obiektu.

„Radar” to słowo utworzone na początku lat czterdziestych XX w. z pierwszych liter angielskiego terminu Radio Detection And Ranging (oznaczającego wykrywanie oraz wyznaczanie odległości za pomocą fal radiowych). Wcześniejszy termin brytyjski RDF (Radio Direction Finding) został zastąpiony jego amerykańskim odpowiednikiem, który przyjął się w wielu językach.

W radarach wykorzystuje się do wykrywania obiektów zjawisko odbicia fal radiowych od wykrywanych obiektów (najczęściej w tym celu wykorzystuje się pasmo mikrofal, a więc od 1 GHz do 300 GHz) lub fale wysyłane przez te obiekty.

W radarze aktywnym nadajnik radaru emituje wiązkę promieniowania oświetlającą badany obszar, sygnał odbija się od obiektu i jest odbierany w odbiorniku znajdującym się zazwyczaj w tym samym miejscu co nadajnik.

Radar pasywny nie emituje promieniowania, a jedynie odbiera promieniowanie wysyłane najczęściej w celach komunikacyjnych przez samoloty, a w astronomii przez obiekty kosmiczne. Docierający do odbiornika sygnał jest bardzo słaby, dlatego trzeba konstruować odpowiednie anteny i odbiorniki umożliwiające określenie kierunku, natężenia fali i jej inne parametry.

Urządzenia radarowe mają obecnie wiele zastosowań, np. w wojsku, w meteorologii do wykrywania chmur burzowych, w kontroli ruchu lotniczego, morskiego, w kontroli prędkości poruszających się pojazdów przeprowadzanej przez policję. Tabela 1 przedstawia podstawowy podział urządzeń radarowych wraz z określeniem wykorzystywanego przez nie zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych.

Praca radaru obejmuje trzy etapy (rys. 1):

• nadawanie,
• odbiór,
• zobrazowanie.

Wyróżniamy dwa typy radarów:

• impulsowy, wykorzystujący do pomiaru odległości pomiędzy urządzeniem a celem pomiar czasu sygnału przebywającego drogę nadajnik – cel – odbiornik,
• dopplerowski, wykorzystujący pomiar zmiany częstotliwości fali odbitej od celu zgodnie z efektem Dopplera. Radar impulsowy

Radar impulsowy

Radar impulsowy umożliwia ocenę odległości między radarem a celem poprzez pomiar czasu przejścia sygnału z anteny do celu i z powrotem. Rys. 2 przedstawia zasadę pomiaru w przypadku tego typu radaru.

Dzięki zastosowaniu w radarze impulsowym bardzo stabilnych generatorów częstotliwości oraz układów mierzących czas pomiędzy momentami nadania i odbioru sygnału z dużą dokładnością można wskazać położenie obiektu, a także odróżnić od siebie obiekty znajdujące się w tym samym kierunku od anteny, ale w różnych odległościach.

W wielu przypadkach nadajnik oraz odbiornik radaru posiadają wspólną antenę oraz układ przełącznika nadawanie – odbiór, który separuje obydwa układy, zapobiega przedostaniu się sygnału o dużej mocy z nadajnika do czułego układu odbiornika, a także odpowiednio ukierunkowuje w trakcie falowodowym drogę sygnału.

Urządzenie posiadające jedną antenę nadawczo-odbiorczą musi bazować na pewnych kompromisach konstrukcyjnych, które są wymuszone przez zjawiska fizyczne. By zapewnić widzialność obiektów znajdujących się w niewielkiej odległości, należy skrócić czas trwania sygnału sondującego, tak aby echo od pobliskiego obiektu nie dotarło do anteny jeszcze w czasie nadawania sygnału. Jednocześnie czas trwania impulsu przekłada się bezpośrednio na zasięg radaru, więc nie jest możliwe dowolne skrócenie czasu trwania impulsu, ponieważ w ten sposób traci się na jego podstawowej zalecie, czyli zasięgu. Odbite od celu echo nie powinno również wracać do urządzenia w momencie nadawania kolejnego impulsu. Konieczny jest więc taki dobór czasu powtarzania, czyli odstępu czasowego pomiędzy kolejnymi emitowanymi impulsami, aby do takiego zjawiska nie doszło. W związku z tym, w zależności od przeznaczenia urządzenia, wyróżnia się radary o krótkim czasie trwania impulsu i krótkim czasie powtarzania – radary do pomiaru odległości celów w najbliższym otoczeniu (np. radary pola walki, radary portowe) – oraz urządzenia z impulsami o długim czasie trwania i długim czasie powtarzania – radary o dużym zasięgu (np. radary wczesnego ostrzegania).

Podstawowym parametrem technicznym stosowanym w celu porównania radarów impulsowych jest częstotliwość powtarzania sygnału, czyli odwrotność czasu powtarzania, opisująca liczbę emitowanych impulsów przez nadajnik radaru w ciągu sekundy. Jest to jeden z bardziej istotnych parametrów w urządzeniach z mechanicznie sterowaną anteną. Ustawiając odpowiednią częstotliwość powtarzania, można zapewnić dość gęste pokrycie przestrzeni sygnałem sondującym, dzięki czemu maleje ryzyko, że któryś z celów nie zostanie opromieniony przez wiązkę radarową.

Radar dopplerowski

W radarze dopplerowskim wykorzystywane jest zjawisko przesunięcia dopplerowskiego wywołanego ruchem obiektów, na których następuje odbicie. Radar dopplerowski jest przykładem aktywnej teledetekcji w mikrofalach.

Wyróżnia się trzy typy radarów dopplerowskich:

• impulsowe – wysyłają krótkie impulsy o dokładnie określonej częstotliwości i czasie trwania impulsu,
• o wiązce ciągłej – cały czas wysyłają wiązkę promieniowania o określonej częstotliwości,
• o wiązce modulowanej częstotliwościowo (FM).

Przy odbiorze wiązki w radarach, w zależności od typu radaru, analizuje się natężenie odbieranej wiązki, czas powrotu wiązki, a w radarach dopplerowskich dodatkowo jej częstotliwość, na podstawie której określa się prędkość poruszającego się obiektu.

Radar dopplerowski jest stosowany nie tylko do wykrywania obiektów i określania ich położenia, ale także do określania kierunku (zbliżanie – oddalanie) i prędkości poruszania się.

Radary perymetryczne

Nowoczesny system zabezpieczenia perymetrycznego powinien nie tylko wykrywać fakt naruszenia strefy chronionej, lecz również wskazać miejsce tego naruszenia oraz położenie i kierunek przemieszczania się intruza. Daje to możliwość szybkiej i skutecznej reakcji na powstałe zagrożenie. Dokładna lokalizacja intruza znacznie podnosi również bezpieczeństwo jednostki reagującej.

Skuteczna ochrona perymetryczna powinna zawierać czujniki obserwujące teren poza ogrodzeniem w celu wykrycia nie tylko rzeczywistych, ale i potencjalnych intruzów. Jest to bardziej uciążliwe dla ochrony obiektu, ale jednostki ochrony fizycznej mogą wówczas znacznie wcześniej podjąć przygotowanie do interwencji, jeżeli nastąpi rzeczywiste naruszenie strefy chronionej.

Radar perymetryczny (Perimeter Surveillance Radar – PSR) jest radarem przeznaczonym do monitorowania aktywności wokół obiektów (najczęściej specjalnych), takich jak porty lotnicze, porty morskie, obiekty wojskowe, granice państw, rafinerie i inne. Może wykorzystywać dopplerowską metodę detekcji – wymagany jest wtedy ruch intruza w kierunku radaru – albo mapowanie (ang. clutter mapping) – ruch może odbywać się wtedy w dowolnym kierunku.

Radary perymetryczne przeznaczone są do wykrywania ruchu obiektów naziemnych, takich jak idący lub czołgający się ludzie albo pojazdy (rys. 5). Technologie radarowe z natury przystosowane są do monitorowania dużych obszarów, dlatego możliwy jest zakres ich pracy od kilkuset metrów do 10 km. Umożliwiają one śledzenie pełnego koła (360°) lub jego wycinka (80–180°), stale analizując sygnały zwrotne w celu wykrycia i zlokalizowania, a następnie śledzenie toru przemieszczania się intruza/intruzów. Dowolnie konfigurowana maska obszarów chronionych/niechronionych w całej strefie działania pozwala na wyeliminowanie sygnałów nie objętych nadzorem.

Czujniki radarowe funkcjonują skutecznie na ziemi, wodzie i w powietrzu, w każdych warunkach pogodowych, a sposób oświetlenia nie ma na nie wpływu. Przy właściwym ustawieniu parametrów charakteryzują się wyjątkowo niskim współczynnikiem fałszywych alarmów.

W obserwowanym obszarze wykrywają one czołgające się, idące lub biegnące osoby, a także pojazdy, łodzie, znajdujące się na ziemi samoloty i wszystkie inne poruszające się obiekty. Dodatkowo do ich zalet, w przypadku zastosowania w systemach ochrony, zaliczyć należy:

• możliwą współpracę z GPS w celu dokładnej lokalizacji czujników radarowych w terenie,
• umożliwienie integracji radaru z innymi systemami ochrony, np. do sterowania kamerami w celu oceny zagrożenia przez operatora,
• możliwość identyfikacji zagrożenia przez operatora i optymalnego zaplanowania reakcji,
• szybką reakcję (reakcja jest możliwa w ciągu sekund, nie minut),
• brak konieczności śledzenia monitorów przez operatora, dopóki radar nie sygnalizuje alarmu,
• wysoką rozdzielczość: radar pracujący na wyższej częstotliwości i z węższą wiązką będzie określał pozycję intruza dokładniej.

Do podstawowych parametrów technicznych radarów perymetrycznych należy zaliczyć:

• częstotliwość pracy od pasma X (około 10 GHz) do pasma W (około 77 GHz);
• typ modulacji (CW, FMCW i impulsowa); systemy z modulacją FMCW typowo mają bardzo dużą rozdzielczość (często większą niż 1m);
• zakres pracy od 300 metrów do 10 km;
• metody detekcji: dopplerowska i mapowanie;
• częstotliwość skanowania przestrzeni: od 360° na sekundę do 30° na sekundę (niektóre radary dopplerowskie mogą mieć mniejszą częstotliwość skanowania).

Dlaczego warto stosować radar w zabezpieczeniach?

• działa w każdych warunkach atmosferycznych w dzień i w nocy,
• jest bardzo trudny do ominięcia,
• ma duży zasięg i 360-stopniowe pokrycie terenu,
• umożliwia zabezpieczenie dużych obszarów przy zastosowaniu sieci,
• pozwala na oszacowanie zagrożenia dzięki ciągłemu śledzeniu celu,
• charakteryzuje się niskimi kosztami i dużą szybkością instalacji,
• może być stosowany tam, gdzie inne czujniki nie są praktyczne (np. nad wodą),
• programowalne strefy alarmowe pozwalają na dynamiczną zmianę obszaru detekcji.

Radary i rozwój technologii sensorów falowych

W klasycznym systemie ochrony, w którym do rozmieszczenia wymienionych we wstępie czujników na obwodzie chronionego obiektu konieczna jest budowa obwodnicy – pasa ziemi o szerokości co najmniej 3 m między dwoma ogrodzeniami, zewnętrznym i wewnętrznym – obowiązuje równocześnie wizualna weryfikacja alarmów, co wymusza stosowanie nadzoru wizyjnego w postaci kamer wizyjnych dzienno-nocnych do obserwacji liniowej obwodnicy i sprzężenie tych systemów ze sobą za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Efektywna obserwacja nocna wymusza stosowanie oświetlenia lampowego obwodnicy. Całość systemu wymaga też budowy kanalizacji kablowej wzdłuż obwodnicy, co najmniej dwururowej (zasilanie, sygnały alarmowe, wizja, sieć telekomunikacyjna systemu), w celu wizualizowania sytuacji alarmowych w Centrum Nadzoru. W sumie uzbrojona, aktywna obwodnica z Centrum Nadzoru mieszczącym urządzenia końcowe systemów zastosowanych na obwodnicy to pracochłonne i drogie przedsięwzięcie inżynieryjne z poważnymi robotami ziemnymi.

Wydarzenia ostatnich lat, począwszy od 11 września 2001 r., a później wojny irackiej i afgańskiej, konieczność ochrony obozów wojskowych, konwojów i patroli oraz kolejne akty terrorystyczne w Madrycie i Londynie przyspieszyły rozwój systemów ochrony infrastruktury krytycznej zarówno w zakresie technologii czujników, modernizacji systemów i poglądów dotyczących organizacji skutecznej ochrony dostosowanej do również rosnących możliwości i umiejętności grup terrorystycznych i przestępczych. Do stosowanej od ponad 20 lat kamery wizyjnej z matrycą CCD, wykrywającej promieniowanie widzialne odbite od obiektu, dołącza na przełomie wieku znacznie tańsza kamera termowizyjna, wykorzystująca matrycę bolometryczną (nie chłodzoną). Detekcja kontrastu termicznego obiektu na tle sceny uniezależnia zestaw kamery wizyjnej i termowizyjnej od oświetlenia sceny, co zwiększa w istotny sposób prawdopodobieństwo wykrycia obiektu zarówno w dzień, jak i w nocy, a także jego rozpoznania i identyfikacji. Mimo wszystko taki zestaw kamerowy jako element biernej obserwacji jest podatny na wpływy atmosferyczne (np. mgła posiada cząsteczki wody rezonujące z promieniowaniem podczerwieni w paśmie 3–5 μm, a zatem skutecznie tłumi to pasmo podczerwieni).

W celu zwiększenia skuteczności sensorów falowych w zakresie nadzoru wizyjnego wprowadzono radar naziemny w zakresie fal mikrofalowych o zasięgu 3–10 km i fal milimetrowych o zasięgu do 3 km. Trzy pasma falowe (mikrofale, podczerwień i zakres promieniowania widzialnego) przy aktywnym trybie pracy pasma radarowego uzupełniają się wzajemnie, a zestaw sensorowy jako całość uniezależnia się zarówno od zmian dobowych, pogodowych i maskowania intruza, np. termicznego. Ponadto zestaw ten spełnia podstawową zasadę detekcji intruza – zasadę podwójnej technologii detekcji aktywnej i pasywnej.

Drugim niezmiernie ważnym aspektem rozwoju systemów falowych jest rozwój metod analizy obrazu, prowadzący w konsekwencji do automatycznej detekcji intruza, wypracowanie sytuacji alarmowej i automatycznego śledzenia ruchu intruza. Aktualnie stosowane systemy wizyjne są wyposażone lub doposażone (zewnętrznie) w urządzenia automatycznej analizy obrazu (Intelligent Vision lub Automatic Video Surveillance). Automatyczna analiza obrazu jest bardziej efektywna niż praca operatora, a przy systemie rozbudowanym wręcz niezastąpiona. Ostatnim osiągnięciem tej informatycznej technologii jest fuzja, czyli łączenie obrazów oraz informacji uzyskanych z zastosowanych trzech technologii (kamer wizyjnych, termowizyjnych oraz radarów) w jeden obraz (Image Fusion¹). Rozwiązanie to ma umożliwić stosowanie jednego ekranu z jednym obrazem złożonym z wydatnych cech obrazu pojedynczych wizji termo i radaru milimetrowego. Tak określone kierunki rozwoju technicznego zewnętrznych systemów ochrony zapowiadają dominację technik falowych – telewizji dozorowej, termowizji i technik radarowych – w najbliższych latach.

dr inż. Marek Życzkowski

Laboratorium Systemów Bezpieczeństwa i Analizy Zagrożeń
Instytut Optoelektroniki
Wojskowa Akademia Techniczna ,
im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie

1) Aktualnie technologia Image Fusion nie jest jeszcze stosowana
w systemach dostępnych na rynku.

Literatura

1. G. Hamman, Perimeter surveillance radar system training session, STS, czerwiec 2004.
2. Perimeter surveillance radar system, Manual, STS.
3. NATO NIAG SG 109 Technical Documents.
4. General Security – Navtech Radar – materiały firmowe.
5. ADMIR i MINDER firmy Elta – materiały firmowe.
6. SOWA firmy RADWAR – materiały firmowe.

Zabezpieczenia 5/2008