Clutter Suppression for GPS-Signal-Based Passive Radar

रडार वह तकनीक है जो हमें उन वस्तुओं को देखने में सक्षम बनाती है जो नग्न आंखों से देखने के लिए बहुत दूर हैं, या बाधाओं के पीछे छिपी हुई हैं। पारंपरिक रडार एक लाइटहाउस की तरह काम करता है: यह रेडियो तरंगों की एक शक्तिशाली किरण भेजता है और विमान, जहाज या कार से टकराकर वापस आने वाली हल्की गूँज (इको) को सुनता है। यह तरीका शक्तिशाली है, लेकिन इसकी एक बड़ी कमी है। क्योंकि रडार स्टेशन को अपना स्वयं का सिग्नल प्रसारित करना पड़ता है, इसलिए यह सुनने वाले किसी भी व्यक्ति के सामने अपने सटीक स्थान को प्रकट कर देता है, जिससे यह हमले के प्रति संवेदनशील हो जाता है। इसे हल करने के लिए, इंजीनियरों ने पैसिव (निष्क्रिय) रडार विकसित किया। प्रसारण करने के बजाय, एक पैसिव रडार स्टेशन एक शांत श्रोता की तरह कार्य करता है। यह हवा में अन्य स्रोतों, जैसे कि टेलीविजन टावरों, रेडियो स्टेशनों या उपग्रहों से पहले से ही यात्रा कर रहे संकेतों का इंतजार करता है। जब ये मौजूदा संकेत किसी लक्ष्य से टकराते हैं और रिसीवर की ओर वापस आते हैं, तो सिस्टम उस गूँज का विश्लेषण करता है ताकि यह पता लगाया जा सके कि लक्ष्य कहाँ है और उसकी गति कितनी है। यह दृष्टिकोण पता लगाने में बहुत कठिन है और नए ट्रांसमिशन के साथ रेडियो स्पेक्ट्रम को बाधित नहीं करता है।

इन शांत श्रोताओं के लिए सबसे आशाजनक स्रोतों में से एक ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम (जीपीएस) है। आकाश जीपीएस उपग्रहों से भरा है जो पृथ्वी की ओर लगातार संकेत भेज रहे हैं। एक पैसिव रडार सिस्टम इन संकेतों का उपयोग लक्ष्यों का पीछा करने के लिए कर सकता है। हालाँकि, यह एक अत्यंत कठिन कार्य है। अंतरिक्ष से आने वाले संकेत जमीन तक पहुँचते-पहुँचते पहले से ही बहुत कमजोर हो जाते हैं। जब वे एक छोटे लक्ष्य से टकराकर वापस आते हैं, तो उनकी गूँज और भी क्षीण हो जाती है, जो अक्सर शोर के कोलाहल में दब जाती है। यह शोर उपग्रह के सीधे सिग्नल से आता है, जो लक्ष्य की गूँज की तुलना में हजारों गुना अधिक शक्तिशाली होता है, साथ ही जमीन, इमारतों और अन्य उपग्रहों से होने वाले परावर्तन से भी आता है। यह एक ऐसे कमरे में फुसफुसाहट सुनने जैसा है जहाँ एक जेट इंजन गरज रहा हो। वर्षों से, शोधकर्ता इस भारी पृष्ठभूमि के शोर को छानने और चलते हुए लक्ष्य के सूक्ष्म सिग्नल को खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

नेवल यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग और चीन की वुहान यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) पर ध्यान केंद्रित किया: वह क्लटर (अव्यवस्थित शोर) जो जमीन से टकराकर वापस आता है और वह शोर जो हवा में भर जाता है। उनका दृष्टिकोण केवल शोर को घटाने का नहीं है, क्योंकि ऐसा करने से अक्सर पीछे एक अस्त-व्यस्त अवशेष रह जाता है। इसके बजाय, उन्होंने समस्या को एक अलग नजरिए से देखा, यह विश्लेषण करते हुए कि लक्ष्य का सिग्नल और क्लटर का सिग्नल उनके मौलिक निर्माण खंडों (बिल्डिंग ब्लॉक्स) में टूटने पर कैसा व्यवहार करते हैं। उन्होंने सिग्नलों को केवल समय और आवृत्ति की तरंगों के रूप में नहीं, बल्कि पैटर्न के रूप में देखा जो विभिन्न पैमानों (स्केल्स) पर मौजूद होते हैं। इस संदर्भ में, एक "स्केल" का अर्थ सिग्नल के भीतर विवरण का स्तर या विशेषताओं का आकार है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चलते हुए लक्ष्य की मंद गूँज और जमीन से आने वाला अव्यवस्थित परावर्तन, हालांकि वे एक मानक रडार मानचित्र पर समान दिख सकते हैं, लेकिन इस मल्टी-स्केल लेंस के माध्यम से देखने पर वास्तव में बहुत अलग आकार के होते हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने दो रिसीवरों का उपयोग करके एक वास्तविक प्रयोग स्थापित किया जो एक निश्चित दूरी पर स्थित थे। उन्होंने एक 'कॉर्नर रिफ्लेक्टर' (एक उपकरण जिसे रेडियो तरंगों को मजबूती से वापस भेजने के लिए डिज़ाइन किया गया है) को एक वाहन पर रखा और उसे एक स्थिर गति से चलाया। रिसीवर ने उस वाहन से परावर्तित होने वाले जीपीएस संकेतों को, साथ ही जमीन और अन्य उपग्रहों से होने वाले अपरिहार्य बैकग्राउंड शोर और हस्तक्षेप को कैप्चर किया। शोधकर्ताओं ने इस कच्चे डेटा को दो अलग-अलग गणितीय उपकरणों का उपयोग करके संसाधित किया: एक वेवलेट्स (wavelets) पर आधारित और दूसरा 'एम्पिरिकल मोड डिकंपोजिशन' नामक विधि पर आधारित। दोनों उपकरण जटिल सिग्नल को परतों में छीलकर अलग करने का काम करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे मिश्रण में विभिन्न सामग्रियों को अलग किया जाता है। मुख्य बात यह थी कि लक्ष्य का सिग्नल और ग्राउंड क्लटर अलग-अलग परतों में व्यवस्थित हो गए। लक्ष्य की ऊर्जा विशिष्ट परतों में केंद्रित थी, जबकि ग्राउंड क्लटर अन्य परतों में हावी था।

इन विशिष्ट परतों की पहचान करके, शोधकर्ता एक ऐसा फिल्टर बना सके जो लक्ष्य वाली परतों को रखता था और क्लटर वाली परतों को हटा देता था। उन्होंने केवल खराब हिस्सों को फेंका नहीं; उन्होंने एक स्मार्ट वेटिंग सिस्टम (भार प्रणाली) का उपयोग किया जो लक्ष्य की अनूठी विशेषताओं को सुरक्षित रखते हुए शोर को दबा देता था। जब उन्होंने अपने डेटा पर इस पद्धति को लागू किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। उन परिदृश्यों में जहाँ लक्ष्य मजबूत ग्राउंड इंटरफेरेंस द्वारा पूरी तरह से छिपा हुआ था, इस नई पद्धति ने लक्ष्य को वापस दृश्य में ला दिया। एक विशिष्ट परीक्षण मामले में, जिसमें मजबूत ग्राउंड क्लटर शामिल था, इस पद्धति ने लक्ष्य सिग्नल की स्पष्टता को 8.07 डेसिबल तक सुधार दिया, जो एक महत्वपूर्ण उछाल था जिसने एक छिपी हुई वस्तु और एक स्पष्ट रूप से दिखाई देने वाली वस्तु के बीच का अंतर तय किया। एक अन्य परीक्षण में जहाँ सिग्नल भारी शोर के नीचे दबा हुआ था, इस पद्धति ने सिग्नल की गुणवत्ता में लगभग 9 डेसिबल का सुधार किया, जिससे एक स्टैटिक-भरे स्क्रीन को एक स्पष्ट चित्र में बदल दिया।

अध्ययन ने इस तकनीक की सीमाओं को भी उजागर किया। यह विधि तब सबसे अच्छा काम करती है जब लक्ष्य और हस्तक्षेप का मल्टी-स्केल व्यू में स्पष्ट रूप से अलग आकार होता है। यह ग्राउंड क्लटर को हटाने में अत्यधिक प्रभावी था, जिसका ढांचा चलते हुए वाहन से बहुत अलग होता है। हालांकि, यह अन्य उपग्रहों से आने वाले हस्तक्षेप के खिलाफ कम प्रभावी था जो लक्ष्य के समान ही दिखते थे। उन मामलों में, हस्तक्षेप और लक्ष्य का "आकार" एक जैसा था, जिससे उन्हें अलग करना कठिन हो गया। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यदि उपग्रह से मूल सिग्नल शुरू से ही बहुत कमजोर था, तो कोई भी प्रोसेसिंग लक्ष्य को वापस नहीं ला सकती थी। यह सुझाव देता है कि हालांकि यह विधि शक्तिशाली है, लेकिन यह हर समस्या को ठीक करने वाली कोई जादु其實 जादुई छड़ी नहीं है।

ये निष्कर्ष पैसिव रडार प्रणालियों के लिए एक नया मार्ग प्रशस्त करते हैं। पुराने तरीकों के विपरीत, जो हस्तक्षेप को सीधे मॉडल करने और घटाने की कोशिश करते थे, यह दृष्टिकोण इस बात पर निर्भर करता है कि सिग्नल स्वाभाविक रूप से कैसे संरचित होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनकी वेवलेट-आधारित विधि सामान्य रूप से उनके द्वारा परीक्षण की गई वैकल्पिक विधि की तुलना में अधिक स्थिर और प्रभावी थी, विशेष रूप से भारी हस्तक्षेप वाली कठिन परिस्थितियों में। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि यह तकनीक रडार की तस्वीर को साफ करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, विशेष रूप से तब जब लक्ष्य शोर भरे बैकग्राउंड के विरुद्ध कमजोर हो। यह अन्य कैंसिलेशन तकनीकों की आवश्यकता को प्रतिस्थापित नहीं करता है, बल्कि यह सुरक्षा की एक महत्वपूर्ण परत जोड़ता है जो इन शांत श्रोताओं को आकाश की फुसफुसाहट को अधिक स्पष्टता से सुनने की अनुमति देती है। शोर की अनूठी बनावट और लक्ष्य के बीच के अंतर को समझकर, टीम ने दिखाया है कि सबसे मंद गूँज को भी बैकग्राउंड के शोर से बचाया जा सकता है।