Радиолокатор непрерывного действия - Continuous-wave radar

передаваемая
энергия
энергия обратного рассеяния,
содержащая много информации
об обратном рассеивателе
Принцип измерения с помощью радара непрерывного действия

Непрерывный радар (CW РЛС) представляет собой тип радиолокационной системы , в которой известная стабильной частоте непрерывной волна радио передает энергия , а затем полученный от любых отражающих объектов. Отдельные объекты могут быть обнаружены с помощью эффекта Доплера , который заставляет принимаемый сигнал иметь частоту, отличную от передаваемого сигнала, что позволяет его обнаруживать путем фильтрации передаваемой частоты.

Доплеровский анализ отраженных сигналов радара может позволить отфильтровать медленные или неподвижные объекты, тем самым обеспечивая невосприимчивость к помехам от крупных неподвижных объектов и медленно движущихся помех . Это делает его особенно полезным для поиска объектов на фоне отражателя, например, позволяя летящему на большой высоте самолету искать самолет, летящий на малой высоте, на фоне поверхности. Поскольку очень сильное отражение от поверхности можно отфильтровать, гораздо меньшее отражение от цели все еще можно увидеть.

Радиолокационные системы непрерывного действия используются на обоих концах диапазона дальности.

  • Недорогие радиовысотомеры, датчики приближения и спортивные аксессуары, работающие на расстоянии от нескольких десятков футов до нескольких километров.
  • Дорогостоящие раннего предупреждения CW путевого угла (CWAT) радиолокатор за 100 км для использования с зенитно-ракетные комплексы

Операция

Основное преимущество РЛС непрерывного действия состоит в том, что энергия не является импульсной, поэтому их гораздо проще производить и эксплуатировать. У них нет минимальной или максимальной дальности, хотя уровень мощности вещания накладывает практический предел дальности. Радар непрерывного действия обеспечивает максимальную общую мощность на цели, поскольку передатчик ведет непрерывное вещание.

Военные используют радар непрерывного излучения для наведения полуактивных радарных самонаводящихся (SARH) ракет класса " воздух-воздух" , таких как американские AIM-7 Sparrow и ракеты семейства Standard . Самолет- носитель освещает цель непрерывным радиолокационным сигналом, а ракеты - отраженными радиоволнами . Поскольку ракета движется с большими скоростями относительно самолета, возникает сильный доплеровский сдвиг. Большинство современных радаров воздушного боя, даже импульсные доплеровские установки, имеют функцию CW для наведения ракет.

Максимальное расстояние в радаре непрерывного действия определяется общей полосой пропускания и мощностью передатчика. Эта полоса пропускания определяется двумя факторами.

  • Плотность энергии передачи (ватт на герц)
  • Размер фильтра приемника (полоса пропускания, деленная на общее количество фильтров)

Удвоение мощности передачи увеличивает дальность связи примерно на 20%. Снижение общего шума передачи FM вдвое дает тот же эффект.

Приемники в частотной области, используемые для непрерывных доплеровских радиолокационных приемников, сильно отличаются от обычных радиолокационных приемников. Приемник состоит из группы фильтров, обычно более 100. Количество фильтров определяет максимальную дальность действия.

Удвоение количества фильтров приемника увеличивает дальность действия примерно на 20%. Максимальное расстояние достигается, когда размер фильтра приемника равен максимальному ЧМ-шуму в передаваемом сигнале. Уменьшение размера фильтра приемника ниже среднего уровня шума передачи FM не улучшит характеристики дальности.

Считается, что радар CW согласован, когда размер фильтра приемника совпадает со среднеквадратичной шириной полосы частот FM-шума в передаваемом сигнале.

Типы

Существует два типа радаров непрерывного действия: немодулированный непрерывный сигнал и модулированный непрерывный сигнал .

Немодулированная непрерывная волна

Изменение длины волны, вызванное движением источника

Такой радар может стоить менее 100 долларов (2012 г.). Возвратные частоты смещены от передаваемой частоты на основе эффекта Доплера, когда объекты движутся. Невозможно оценить расстояние. Этот тип радара обычно используется в соревновательных видах спорта, таких как гольф, теннис, бейсбол и гонки NASCAR .

Изменение доплеровской частоты зависит от скорости света в воздухе ( c '≈ c / 1.0003 немного медленнее, чем в вакууме) и v от скорости цели:

Доплеровская частота, таким образом, равна:

Поскольку обычное изменение скорости цели радара намного меньше чем , можно упростить  :

Радар непрерывного действия без частотной модуляции (ЧМ) обнаруживает только движущиеся цели, поскольку неподвижные цели (вдоль линии визирования ) не вызывают доплеровского сдвига. Отраженные сигналы от неподвижных и медленно движущихся объектов маскируются передаваемым сигналом, который подавляет отражения от медленно движущихся объектов во время нормальной работы.

Модулированная непрерывная волна

Радиолокатор непрерывного действия с частотной модуляцией (FM-CW), также называемый радаром с непрерывной частотной модуляцией (CWFM), представляет собой измерительный радар малого радиуса действия, способный определять расстояние. Это увеличивает надежность, обеспечивая измерение расстояния наряду с измерением скорости, что важно, когда на антенну радара попадает более одного источника отражения. Этот вид радара часто используется как « радарный высотомер » для измерения точной высоты во время процедуры посадки самолета. Он также используется в качестве радара раннего предупреждения, волнового радара и датчиков приближения. Доплеровский сдвиг не всегда требуется для обнаружения при использовании FM. В то время как ранние реализации, такие как радарный высотомер APN-1 1940-х годов, были разработаны для малых расстояний, радары Over The Horizon Radar (OTHR), такие как Jindalee Operational Radar Network (JORN), предназначены для обзора межконтинентальных расстояний в несколько тысяч километров. .

В этой системе передаваемый сигнал непрерывной волны известной стабильной частоты изменяется вверх и вниз по частоте в течение фиксированного периода времени с помощью модулирующего сигнала. Разность частот между принимаемым и передаваемым сигналами увеличивается с задержкой и, следовательно, с расстоянием. Это размывает или размывает доплеровский сигнал. Затем эхо-сигналы от цели смешиваются с передаваемым сигналом для получения сигнала биений, который дает расстояние до цели после демодуляции.

Возможны различные модуляции, частота передатчика может повышаться и понижаться следующим образом:

Демодуляция диапазона ограничена 1/4 длины волны модуляции передачи. Приборная дальность для ЧМ 100 Гц составит 500 км. Этот предел зависит от типа модуляции и демодуляции. Обычно применяется следующее.

Радар сообщит неверное расстояние для отражений с расстояний за пределами инструментального диапазона, например, от Луны. Измерения диапазона FMCW надежны только примерно до 60% приборного диапазона, или примерно 300 км для 100 Гц FM.

Пилообразная частотная модуляция

Определение диапазона с помощью радиолокационной системы FM-CW: если ошибку, вызванную возможной доплеровской частотой, можно игнорировать, а мощность передатчика линейно модулируется по частоте, то временная задержка ( ) пропорциональна разнице между переданным и принятым сигналами ( ) в любое время.

Пилообразная модуляция чаще всего используется в радарах FM-CW, где требуется дальность действия для объектов, у которых отсутствуют вращающиеся части. С помощью этой техники информация о дальности смешивается с доплеровской скоростью. Модуляция может быть отключена при альтернативном сканировании для определения скорости с использованием немодулированного сдвига несущей частоты. Это позволяет определять дальность и скорость с помощью одного радара. Треугольная модуляция волны может использоваться для достижения той же цели.

Как показано на рисунке, полученный сигнал (зеленый) - это просто задержанная копия переданного сигнала (красный). Передаваемая частота используется для преобразования принимаемого сигнала с понижением частоты до основной полосы частот , а величина сдвига частоты между передаваемым сигналом и отраженным сигналом увеличивается с временной задержкой (расстоянием). Таким образом, временная задержка является мерой диапазона; небольшой разброс частот создается соседними отражениями, больший разброс частот соответствует большей временной задержке и большему диапазону.

С появлением современной электроники для большей части обработки обнаружения используется цифровая обработка сигналов. Сигналы биений проходят через аналого-цифровой преобразователь , и результат выполняется цифровой обработкой. Как поясняется в литературе, диапазон FM-CW для линейного пилообразного сигнала задается следующей системой уравнений:

где - величина развертки частоты радара и - время завершения развертки частоты.

Затем, переставьте на более полезный:

, где - время прохождения радиолокационной энергии туда и обратно.

В таком случае легко вычислить физическое расстояние в одну сторону для идеализированного типичного случая как:

где - скорость света в любой прозрачной среде с показателем преломления n (n = 1 в вакууме и 1.0003 для воздуха).

По практическим причинам выборки приема не обрабатываются в течение короткого периода после начала линейного изменения модуляции, поскольку входящие отражения будут иметь модуляцию из предыдущего цикла модуляции. Это накладывает ограничение на диапазон и ограничивает производительность.

Синусоидальная частотная модуляция

Анимация аудио, AM и FM сигналов
Синусоидальная модуляция FM определяет диапазон путем измерения величины расширения спектра, вызванного задержкой распространения (AM не используется с FMCW).

Синусоидальная ЧМ используется, когда одновременно требуются и дальность, и скорость для сложных объектов с множеством движущихся частей, таких как лопасти вентилятора турбины, лопасти вертолета или пропеллеры. Эта обработка снижает эффект сложной модуляции спектра, создаваемой вращающимися частями, которые вносят ошибки в процесс измерения дальности.

Этот метод также имеет то преимущество, что приемнику никогда не нужно останавливать обработку входящих сигналов, поскольку форма волны модуляции является непрерывной без импульсной модуляции.

Синусоидальная ЧМ полностью устраняется приемником для близких отражений, поскольку частота передачи будет такой же, как частота, отраженная обратно в приемник. Спектр более удаленных объектов будет содержать больше модуляции. Величина расширения спектра, вызванная модуляцией принимаемого сигнала, пропорциональна расстоянию до отражающего объекта.

Формула временной области для FM:

где (индекс модуляции)

При передаче между радаром и отражателем вводится временная задержка.

где задержка времени

В процессе обнаружения принимаемый сигнал преобразуется с понижением частоты с использованием передаваемого сигнала. Это устраняет перевозчика.

Правило пропускной способности Карсона можно увидеть в этом уравнении, и что является близким приближением для определения количества распространения , размещенное на получение спектра:

Демодуляция приемника используется с FMCW аналогично стратегии демодуляции приемника, используемой со сжатием импульсов. Это происходит до обработки обнаружения доплеровского CFAR . По практическим соображениям необходим большой индекс модуляции.

Практические системы вводят обратную ЧМ в принимаемый сигнал с использованием цифровой обработки сигнала до того, как процесс быстрого преобразования Фурье будет использован для получения спектра. Это повторяется с несколькими разными значениями демодуляции. Диапазон определяется путем определения спектра приема, ширина которого минимальна.

Практические системы также обрабатывают полученные образцы для нескольких циклов FM, чтобы уменьшить влияние артефактов дискретизации.

Конфигурации

Блок-схема простого модуля РЛС непрерывного действия: Многие производители предлагают такие модули приемопередатчиков и переименовывают их в «Доплеровские радиолокационные датчики».

В радаре непрерывного действия используются две разные конфигурации антенн: моностатический радар и бистатический радар .

Моностатический

Приемная антенна радара расположена рядом с передающей антенной радара в моностатическом радаре .

Проходной нулевой сигнал обычно требуется для устранения просачивания между передатчиком и приемником для повышения чувствительности в практических системах. Обычно это используется с радиолокационными приемниками непрерывного слежения за углом (CWAT), которые взаимодействуют с ракетными системами класса "земля-воздух" .

Прерывистая непрерывная волна может использоваться для устранения проступания между передающей и приемной антеннами. Система такого типа обычно берет одну выборку между каждой парой импульсов передачи, а частота выборки обычно составляет 30 кГц или более. Этот метод используется с наименее дорогими видами радаров, такими как те, которые используются для мониторинга дорожного движения и занятий спортом.

Радиолокаторы FM-CW могут быть построены с одной антенной с циркулятором или с круговой поляризацией.

Бистатический

Приемная антенна радара расположена далеко от передающей антенны радара в бистатическом радаре . Передатчик довольно дорогой, а приемник довольно недорогой и одноразовый.

Обычно это используется с полуактивным радиолокационным самонаведением, включая большинство ракетных систем класса «земля-воздух» . Передающий радар обычно находится рядом с пусковой установкой ракет. Ствольная коробка находится в ракете.

Передающая антенна освещает цель почти так же, как поисковый фонарь . Передающая антенна также выдает всенаправленный образец.

Приемник использует две антенны - одну антенну, направленную на цель, и одну антенну, направленную на передающую антенну. Приемная антенна, нацеленная на передающую антенну, используется для создания сквозного нуля , что позволяет целевому приемнику надежно работать в основном луче антенны или рядом с ним.

Пара бистатических приемников и передатчиков FM-CW может также иметь форму системы снижения мощности по воздуху (OTAD). Передатчик OTAD передает сигнал FM-CW на двух разных частотных каналах; один для синхронизации приемника с передатчиком, другой для освещения сцены измерения. Используя направленные антенны, приемник OTAD собирает оба сигнала одновременно и смешивает сигнал синхронизации с преобразованным с понижением частоты эхо-сигналом от места измерения в процессе, известном как уменьшение амплитуды по эфиру. Частота замедленного сигнала пропорциональна бистатическому диапазону до цели за вычетом базового расстояния между передатчиком OTAD и приемником OTAD.

Большинство современных систем FM-CW радаров используют одну передающую антенну и несколько приемных антенн. Поскольку передатчик работает постоянно на той же частоте, что и приемник, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать перегрузки каскадов приемника.

Моноимпульс

Моноимпульсные антенны производят угловые измерения без импульсов или другой модуляции. Этот метод используется в полуактивной радиолокационной системе самонаведения .

Утечка

В практических системах передаваемый сигнал будет попадать в приемник. Существенная утечка будет происходить из-за отражений от окружающей среды, даже если компоненты антенны исправны. Для достижения приемлемых характеристик требуется подавление утечки до 120 дБ.

Для создания практичной системы, которая будет правильно работать, можно использовать три подхода.

  • Ноль
  • Фильтр
  • Прерывание

Для бистатического радара, например, полуактивного радара самонаведения , необходимо использовать подходы с нулевым значением и фильтром по практическим соображениям, потому что боковые лепестки от освещающего радара будут освещать окружающую среду в дополнение к освещению главного лепестка цели. Аналогичные ограничения применяются к наземным РЛС непрерывного действия. Это увеличивает стоимость.

Прерывание относится к дешевым портативным моностатическим радиолокационным системам (полицейский радар и спортивные товары). Это непрактично для бистатических систем из-за стоимости и сложности, связанных с согласованием времени с ядерной точностью в двух разных местах.

Конструктивным ограничением, которое продвигает это требование, является ограничение динамического диапазона практических компонентов приемника, которые включают полосовые фильтры, для установления которых требуется время.

Ноль

Нулевой подход принимает два сигнала:

  • Образец передаваемого сигнала, просачивающегося в приемник
  • Образец реального передаваемого сигнала

Фактический передаваемый сигнал поворачивается на 180 градусов, ослабляется и подается в приемник. Фазовый сдвиг и затухание устанавливаются с использованием обратной связи, полученной от приемника, чтобы компенсировать большую часть утечки. Типичное улучшение составляет от 30 до 70 дБ.

Фильтр

Подход с фильтром основан на использовании очень узкополосного режекторного фильтра, который устраняет низкоскоростные сигналы от ближайших отражателей. Область отклонения полосы охватывает от 10 миль в час до 100 миль в час в зависимости от ожидаемой среды. Типичное улучшение составляет от 30 до 70 дБ.

Прерывание, FMICW

Хотя системы с прерывистой несущей не считаются системами CW, рабочие характеристики в достаточной степени аналогичны групповым системам с прерыванием CW с чистым радаром CW, поскольку частота импульсов достаточно высока, и измерения дальности не могут быть выполнены без частотной модуляции (FM).

Этот метод отключает передатчик на время до начала выборки приемника. Помехи приемника снижаются примерно на 8,7 дБ за постоянную времени. Для уменьшения утечки на 120 дБ требуется 14 постоянных времени восстановления полосы пропускания между моментом выключения передатчика и началом выборки приемника.

Концепция прерывания широко используется, особенно в радиолокационных устройствах дальнего действия, где очень важна чувствительность приемника. Это широко известно как «частотно-модулированная прерывистая непрерывная волна» или FMICW.

Преимущества

Из-за простоты РЛС CW недороги в производстве, относительно безотказны, дешевы в обслуживании и полностью автоматизированы. Некоторые из них достаточно малы, чтобы их можно было носить в кармане. Более сложные радиолокационные системы непрерывного действия могут надежно обеспечивать точное обнаружение на расстоянии более 100 км, обеспечивая при этом освещение ракеты.

Рампа FMCW может быть сжата, обеспечивая дополнительное соотношение сигнал / шум, так что не требуется дополнительная мощность, которую потребовался бы импульсный радар без FM-модуляции. Это в сочетании с тем фактом, что оно является когерентным, означает, что можно использовать интегрирование Фурье, а не интегрирование по азимуту, обеспечивая превосходное соотношение сигнал / шум и доплеровское измерение.

Доплеровская обработка позволяет интегрировать сигнал между последовательными выборками приемника. Это означает, что количество выборок может быть увеличено для расширения диапазона обнаружения без увеличения мощности передачи. Этот метод может быть использован для производства недорогих маломощных маломощных невидимых радаров.

По этой причине характеристики CW аналогичны характеристикам импульсного доплеровского радара .

Ограничения

Немодулированный радар непрерывного действия не может измерять расстояние. Амплитуда сигнала обеспечивает единственный способ определить, какой объект соответствует какому измерению скорости, когда рядом с приемником находится более одного движущегося объекта, но информация об амплитуде бесполезна без измерения дальности для оценки размера цели. К движущимся объектам относятся птицы, летающие рядом с объектами перед антенной. Отражения от небольших объектов непосредственно перед приемником могут подавляться отражениями, попадающими в боковые лепестки антенны, от крупного объекта, расположенного сбоку, над или за радаром, например, деревья с ветром, дующим сквозь листья, высокая трава, поверхность моря. , грузовые поезда, автобусы, грузовики и самолеты.

Небольшие радиолокационные системы, в которых отсутствует модуляция дальности, надежны только при использовании с одним объектом в стерильной среде, свободной от растительности, самолетов, птиц, погодных явлений и других близлежащих транспортных средств.

С боковыми лепестками антенны 20 дБ грузовик или дерево с отражающей поверхностью в 1000 квадратных футов за антенной могут генерировать сигнал такой силы, как автомобиль с 10 квадратными футами отражения перед небольшой переносной антенной. Требуется обследование местности, чтобы определить, будут ли портативные устройства работать надежно, поскольку ненаблюдаемое дорожное движение и деревья позади оператора могут помешать наблюдениям, проводимым перед оператором.

Это типичная проблема с радарными скоростными пушками, используемыми сотрудниками правоохранительных органов, мероприятиями NASCAR и такими видами спорта, как бейсбол, гольф и теннис. Помехи от второго радара, зажигания автомобиля, других движущихся объектов, движущихся лопастей вентилятора на намеченной цели и других источников радиочастоты будут искажать измерения. Эти системы ограничены длиной волны, которая составляет 0,02 метра в диапазоне Ku , поэтому разброс луча превышает 45 градусов, если антенна меньше 12 дюймов (0,3 метра). Значительные боковые лепестки антенны распространяются во всех направлениях, если только антенна не больше транспортного средства, на котором установлен радар.

Для надежной работы требуются подавление боковых лепестков и модуляция диапазона FM. Невозможно узнать направление приходящего сигнала без подавления боковых лепестков, для чего требуются две или более антенн, каждая со своим индивидуальным приемником. Невозможно узнать расстояние без модуляции диапазона FM.

Скорость, направление и расстояние - все это необходимо, чтобы выделить отдельный объект.

Эти ограничения связаны с хорошо известными ограничениями базовой физики, которые нельзя преодолеть с помощью дизайна.

Правоохранительные органы включают ручной лазер в набор инструментов, необходимых правоохранительным органам для подтверждения достоверной скорости и местоположения отдельного транспортного средства в дорожном движении после того, как радар обнаруживает превышение скорости.

Смотрите также

Библиография

  • Luck, David GC Frequency Modulated Radar , опубликованный McGraw-Hill, Нью-Йорк , 1949, 466 страниц.
  • Стимсон, Джордж В. Введение в бортовой радар , 2-е изд., SciTech Publishing, 584 страницы.
  • Джесси Чжэн (2005). Оптическая частотно-модулированная непрерывно-волновая интерферометрия (FMCW) . Springer. ISBN   978-0387230092 .

Рекомендации

внешняя ссылка