mały|Różne artefakty zakłócające zobrazowanie radarowe
Radiolokacyjne zakłócenia bierne (ang. radar clutter, clutter) – niepożądane sygnały zwrotne, czyli echa, utrudniające w radarach wykrywanie lub obserwację właściwych celów. Źródłem zakłóceń biernych mogą być m.in. powierzchnia ziemi, morze, opady atmosferyczne, zwierzęta i owady, dipole odbijające oraz zjawiska atmosferyczne.
Rozróżnienie między zakłóceniami biernymi a właściwym celem zależy częściowo od przeznaczenia radaru. Sygnał uznawany w jednym zastosowaniu za niepożądany może w innym stanowić przedmiot obserwacji. W teorii radaru cele są często traktowane jako punktowe lub dyskretne obiekty rozpraszające, natomiast zakłócenia bierne są zwykle wytwarzane przez rozproszone obiekty zajmujące wiele komórek rozróżnialności w zakresie odległości, kąta lub częstotliwości Dopplera.
Zakłócenia bierne mogą wypełniać trójwymiarową objętość, jak w przypadku opadów lub dipoli odbijających, albo pochodzić przede wszystkim z powierzchni, np. lądu lub morza. Do ich charakterystyki konieczna jest zatem znajomość oświetlanej przez radar objętości albo powierzchni. Zakłócenia objętościowe (ang. volume clutter) można opisywać za pomocą objętościowego współczynnika rozpraszania wstecznego , natomiast zakłócenia powierzchniowe (ang. surface clutter) za pomocą znormalizowanej skutecznej powierzchni odbicia lub współczynnika rozpraszania wstecznego .
Klasyfikacja Zakłócenia bierne można klasyfikować według różnych, wzajemnie niezależnych cech. Ze względu na geometrię obszaru rozpraszającego rozróżnia się przede wszystkim zakłócenia powierzchniowe (ang. surface clutter) i zakłócenia objętościowe (ang. volume clutter). W literaturze dotyczącej radarów meteorologicznych stosowany jest również podział na zakłócenia statyczne (ang. static clutter) i zakłócenia dynamiczne (ang. dynamic clutter). Zakłócenia statyczne pochodzą od obiektów nieruchomych lub niemal nieruchomych względem radaru i charakteryzują się przesunięciem Dopplera, a więc także odpowiadającą mu prędkością radialną, bliską zeru. Zakłócenia dynamiczne pochodzą od poruszających się rozpraszaczy i mogą zawierać składowe dopplerowskie wykraczające poza zakres skutecznego działania filtrów przeznaczonych do tłumienia nieruchomych zakłóceń biernych.
Podziały geometryczny i dynamiczny opisują różne właściwości zakłóceń biernych i nie są wzajemnie rozłączne. Ten sam rodzaj zakłóceń biernych może być zatem klasyfikowany jednocześnie według sposobu rozmieszczenia rozpraszaczy oraz ich ruchu względem radaru.
Zakłócenia objętościowe mały|Ilustracja komórki opadowej oświetlanej przez radar Deszcz, grad, śnieg oraz dipole odbijające są przykładami zakłóceń objętościowych (ang. volume clutter). Tworzą je liczne obiekty rozpraszające rozmieszczone w trójwymiarowej przestrzeni oświetlanej przez wiązkę radarową.
Trudność w szacowaniu zakłóceń objętościowych wynika m.in. z tego, że objętość komórki rozróżnialności radaru nie musi być całkowicie zapełniona obiektami rozpraszającymi. Należy więc uwzględnić część objętości zajmowaną przez opad lub inne obiekty, a ich rozmieszczenie może być silnie nierównomierne.
Ponieważ przekrój wiązki radarowej rośnie wraz z odległością od radaru, opad może występować jedynie w części oświetlanej objętości, podczas gdy inna część wiązki przebiega powyżej poziomu chmur. Ponadto natężenie opadu może znacznie różnić się w obrębie oświetlanej przestrzeni. Dokładne obliczenie mocy zakłóceń biernych wymaga zatem znajomości zarówno przestrzennego rozmieszczenia, jak i koncentracji obiektów rozpraszających.
W praktycznych oszacowaniach niepewność tych parametrów ogranicza dokładność wyznaczenia mocy zakłóceń biernych.
Zakłócenia od hydrometeorów Zakłócenia od hydrometeorów (ang. weather clutter) powstają w wyniku rozpraszania fal radarowych na hydrometeorach, takich jak krople deszczu, płatki śniegu i grad. Z punktu widzenia radaru niemeteorologicznego są one rodzajem zakłóceń objętościowych, natomiast w radarze meteorologicznym to samo echo stanowi właściwy sygnał pomiarowy.
W przypadku deszczu sygnał zakłócający jest sumą wektorową ech od dużej liczby kropel znajdujących się w komórce rozróżnialności radaru. Jego poziom i właściwości statystyczne zależą m.in. od liczby i rozkładu rozmiarów kropel, długości fali radaru oraz intensywności opadu. Ponieważ krople poruszają się pod wpływem grawitacji i ruchu powietrza, zakłócenia od opadu deszczu mają również charakterystyczne, zmienne widmo dopplerowskie.
Zakłócenia powierzchniowe Zakłócenia powierzchniowe (ang. surface clutter) tworzą echa radarowe pochodzące od lądu, morza i innych rozległych powierzchni. Ich poziom zależy m.in. od rodzaju i chropowatości powierzchni, częstotliwości pracy radaru, polaryzacji oraz kąta ślizgowego, pod którym wiązka radarowa przecina powierzchnię.
Odbierany sygnał jest sumą fazorową dużej liczby pojedynczych sygnałów rozproszonych. Część obiektów rozpraszających pozostaje zasadniczo nieruchoma, jak budynki, słupy i pnie drzew, natomiast inne mogą się poruszać, np. roślinność, krople deszczu lub fale na powierzchni wody.
Zakłócenia powierzchniowe wykazują zatem zarówno zmienność przestrzenną, jak i czasową. Ich amplituda może znacznie różnić się między sąsiednimi komórkami rozróżnialności radaru, a echo pochodzące z jednej komórki może również zmieniać się w czasie.
Echa pochodzące od morza mały|Wyświetlacz radaru poszukiwania nawodnego; u dołu widoczne silne echo od powierzchni morza utrudniające obserwację bliskich celów Echa pochodzące od morza (ang. sea clutter) powstają wskutek odbicia i rozpraszania fal radarowych od powierzchni morza lub innego rozległego akwenu. Są istotnym ograniczeniem radarów przeznaczonych do wykrywania niewielkich obiektów na powierzchni wody, ponieważ echo fal może mieć poziom porównywalny z echem celu.
Charakterystyka ech pochodzących od morza zależy m.in. od stanu powierzchni i falowania, geometrii obserwacji, kąta ślizgowego, częstotliwości pracy oraz polaryzacji radaru. Ruch fal powoduje powstawanie widma dopplerowskiego, a lokalne zjawiska, takie jak załamywanie się fal, mogą generować krótkotrwałe silne echa. Echa pochodzące od morza są przy tym z natury niejednorodne przestrzennie i niestacjonarne w czasie, co utrudnia ich modelowanie i adaptacyjne tłumienie.
Zapełnienie wiązki mały|320px|Oświetlenie zakłóceń powierzchniowych przy dużym i małym kącie padania wiązki
Zapełnienie wiązki (ang. beam filling) określa, jaka część oświetlanej przez radar objętości lub powierzchni jest rzeczywiście zajęta przez obiekty rozpraszające.
Jeżeli cel znajduje się blisko powierzchni Ziemi, cel i powierzchnia mogą znajdować się w tej samej komórce rozróżnialności odległościowej. Wielkość odbieranych zakłóceń zależy wówczas częściowo od tego, jaka część obszaru objętego wiązką radarową przecina powierzchnię.
Typowym przypadkiem jest sytuacja, w której wiązka pada na powierzchnię pod niewielkim kątem i tylko część powierzchni znajdującej się w obrębie wiązki uczestniczy w tworzeniu zakłóceń biernych na danej odległości. Przy innych geometriach obserwacji radar może oświetlać znacznie większą powierzchnię.
Istotnym problemem przy modelowaniu zakłóceń powierzchniowych jest fakt, że współczynnika rozpraszania wstecznego na ogół nie można dokładnie wyznaczyć wyłącznie teoretycznie i konieczne są pomiary. Wyniki uzyskane dla jednego rodzaju terenu, częstotliwości radaru, kąta ślizgowego, warunków atmosferycznych lub lokalizacji nie muszą być bezpośrednio stosowalne w innych warunkach. Z tego względu stosuje się modele empiryczne, zależności przybliżone i bazy wyników pomiarów zakłóceń biernych, których przydatność zależy od warunków, w jakich wykonano pomiary.
Źródła zakłóceń biernych Radiolokacyjne zakłócenia bierne mogą pochodzić zarówno ze źródeł sztucznych, jak i naturalnych. Do sztucznych należą budynki i inne konstrukcje oraz celowo stosowane środki przeciwdziałania radarowego, takie jak dipole odbijające. Źródłami naturalnymi mogą być ukształtowanie terenu, powierzchnia morza, opady, grad, burze pyłowe i piaskowe, ptaki, turbulencje atmosferyczne oraz ślady meteoroidów.
Echa biologiczne mały|Echo radarowe masowego wylęgu jętek nad Missisipi, zarejestrowane przez radar meteorologiczny Echa biologiczne (ang. biological echoes, w kontekście zakłóceń także biological clutter) są echami pochodzącymi od organizmów znajdujących się w atmosferze. Należą do nich w szczególności ptaki, nietoperze i latające stawonogi, przede wszystkim owady. W radarach meteorologicznych takie echa mogą być traktowane jako zakłócenia bierne, ponieważ mogą zanieczyszczać pomiary przeznaczone do obserwacji zjawisk atmosferycznych. Obserwowano między innymi wpływ nocnych migracji ptaków i owadów na wyznaczane radarowo profile wiatru.
Te same echa mogą jednak stanowić użyteczny sygnał w badaniach biologicznych. Sieci radarów meteorologicznych są wykorzystywane do badania liczebności, rozmieszczenia, wysokości lotu i przemieszczania się ptaków, nietoperzy oraz stawonogów, co przyczyniło się do rozwoju wykorzystujących dane radarowe. Jest to przykład zależności pojęcia zakłóceń biernych od przeznaczenia systemu radarowego.
Echa z czystego powietrza Radar może odbierać mierzalne echa również z obszarów atmosfery pozbawionych widocznych chmur i opadów. Takie echa z czystego powietrza (ang. clear-air echoes) były historycznie określane m.in. jako radar angels. Badania wykazały, że określenie to obejmowało echa powstające wskutek różnych mechanizmów.
Jednym ze źródeł takich ech są ptaki i owady, innym natomiast niejednorodności współczynnika załamania powietrza związane z turbulencją oraz przestrzennymi zmianami temperatury i zawartości pary wodnej. Turbulentne fluktuacje współczynnika załamania mogą tworzyć struktury radarowo widoczne mimo braku hydrometeorów. W zależności od zastosowania radaru echa takie mogą być traktowane jako zakłócenia bierne albo wykorzystywane do badań struktury i dynamiki atmosfery.
Turbiny wiatrowe mały|Zakłócenia bierne powodowane przez farmę wiatrową widoczne na obrazie radaru meteorologicznego Szczególnym źródłem zakłóceń biernych mogą być turbiny wiatrowe, zwłaszcza w radarach meteorologicznych znajdujących się w pobliżu farm wiatrowych. Nieruchome elementy turbiny, takie jak wieża i gondola, wytwarzają przede wszystkim zakłócenia statyczne, natomiast obracające się łopaty są źródłem zakłóceń dynamicznych o niezerowych składowych dopplerowskich.
Echo turbiny jest ponadto zmienne w czasie i zależy m.in. od jej orientacji, prędkości obrotowej oraz warunków atmosferycznych. Z tego względu klasyczne filtry przeznaczone przede wszystkim do usuwania nieruchomych zakłóceń od powierzchni ziemi mogą nie tłumić wystarczająco ech turbin wiatrowych.
Dipole odbijające mały|Dipole odbijające rozrzucone podczas ćwiczeń wojskowych nad Morzem Północnym, widoczne na obrazach radarów meteorologicznych KNMI Dipole odbijające (ang. chaff) są celowo wytwarzanym źródłem silnych ech radarowych. Tworzą je liczne lekkie, silnie odbijające elementy, np. metaliczne paski, druty lub włókna pokryte warstwą metalu, uwalniane w postaci chmury w celu utrudnienia wykrywania i śledzenia właściwego celu.
Poszczególne elementy mogą być wykonywane jako rezonansowe dipole, w tym dipole o długości około połowy lub całej długości fali. Ich skuteczna powierzchnia odbicia zależy m.in. od długości, materiału, orientacji względem polaryzacji padającej fali oraz częstotliwości radaru. Ponieważ duża liczba takich rozpraszaczy zajmuje trójwymiarową przestrzeń, chmura dipoli jest klasycznym przykładem zakłóceń objętościowych.