Характеристики радиолокационного сигнала - Radar signal characteristics

Радиолокационная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал , отраженный от цели , чтобы определить информацию об этой цели. В любой радиолокационной системе передаваемый и принимаемый сигнал будет иметь многие характеристики, описанные ниже.

Радиолокационный сигнал во временной области

На диаграмме ниже показаны характеристики передаваемого сигнала во временной области. Обратите внимание, что на этой и на всех диаграммах в этой статье ось x преувеличена, чтобы сделать объяснение более ясным.

Радарный импульсный поезд

Перевозчик

Несущая - это РЧ- сигнал, обычно микроволнового диапазона, который обычно (но не всегда) модулируется, чтобы система могла захватывать необходимые данные. В радарах с простым дальномером несущая будет модулирована импульсным сигналом, а в системах с непрерывной волной , таких как доплеровский радар , модуляция может не потребоваться. В большинстве систем используется импульсная модуляция с другими дополнительными модулирующими сигналами или без них. Обратите внимание, что при импульсной модуляции несущая просто включается и выключается синхронно с импульсами; модулирующий сигнал фактически не существует в передаваемом сигнале, и огибающая импульсного сигнала извлекается из демодулированной несущей в приемнике. Хотя это очевидно при описании, этот момент часто упускается из виду при первом изучении передачи импульсов, что приводит к неправильному пониманию природы сигнала.

Ширина импульса

Ширина импульса ( ) (или длительность импульса) передаваемого сигнала - это время, обычно в микросекундах, за которое длится каждый импульс. Если импульс не является совершенной прямоугольной волной , время обычно измеряется между 50% уровнями мощности нарастающего и спадающего фронтов импульса.

Ширина импульса должна быть достаточно большой, чтобы радар излучал достаточную энергию, чтобы отраженный импульс мог быть обнаружен его приемником. Количество энергии, которое может быть доставлено к удаленной цели, является результатом двух вещей; пиковая выходная мощность передатчика и продолжительность передачи. Следовательно, ширина импульса ограничивает максимальный диапазон обнаружения цели.

Ширина импульса также ограничивает дискриминацию по дальности, то есть способность радара различать две цели, которые находятся близко друг к другу. На любом расстоянии, с одинаковыми углами азимута и возвышения и с точки зрения радара с немодулированным импульсом, разрешение по дальности примерно равно половине длительности импульса, умноженной на скорость света (примерно 300 метров в микросекунду).

Отражение радара, показывающее изображение перевозчика

Ширина импульса также определяет мертвую зону радара на близком расстоянии. Пока радиолокационный передатчик активен, вход приемника заглушен, чтобы избежать затопления (насыщения) или (что более вероятно) повреждения усилителей. Простой расчет показывает, что радиолокационному эхо-сигналу потребуется примерно 10,8 мкс, чтобы вернуться от цели на расстоянии 1 статутной мили (считая от переднего фронта импульса передатчика ( T 0 ) (иногда называемого основным ударом передатчика)). Для удобства эти цифры также могут быть выражены как 1 морская миля за 12,4 мкс или 1 километр за 6,7 мкс. (Для простоты во всех дальнейших обсуждениях будут использоваться метрические числа.) Если ширина импульса радара составляет 1 мкс, то не может быть обнаружение целей ближе, чем примерно 150 м, потому что приемник гаснет.

Все это означает, что разработчик не может просто увеличить ширину импульса, чтобы получить больший диапазон, без влияния на другие факторы производительности. Как и во всем остальном в радиолокационной системе, при проектировании радиолокационной системы необходимо идти на компромиссы, чтобы обеспечить оптимальные характеристики для ее роли.

Частота следования импульсов (PRF)

Чтобы создать различимое эхо, большинство радиолокационных систем излучают импульсы непрерывно, и частота их повторения определяется ролью системы. Таким образом, эхо-сигнал от цели будет «рисоваться» на дисплее или интегрироваться в процессор сигналов каждый раз, когда передается новый импульс, усиливая возврат и облегчая обнаружение. Чем выше используется PRF, тем больше окрашивается цель. Однако при более высоком PRF дальность, которую радар может «видеть», уменьшается. Разработчики радаров стараются использовать максимально возможную частоту повторения импульсов, соизмеримую с другими ограничивающими ее факторами, как описано ниже.

Есть два других аспекта, связанных с PRF, которые разработчик должен очень тщательно взвесить; характеристики ширины луча антенны и требуемая периодичность, с которой радар должен охватывать поле зрения. Радар с шириной луча по горизонтали 1 °, который охватывает весь горизонт 360 ° каждые 2 секунды с частотой повторения импульсов 1080 Гц, будет излучать 6 импульсов по каждой дуге в 1 градус. Если приемнику требуется не менее 12 отраженных импульсов одинаковой амплитуды для достижения приемлемой вероятности обнаружения, то разработчик может выбрать три варианта: удвоить частоту повторения импульсов, уменьшить вдвое скорость развертки или удвоить ширину луча. В действительности все три варианта используются в разной степени; Дизайн радара - это компромисс между конфликтующими давлениями.

Чередование PRF

Постепенная частота повторения импульсов - это процесс передачи, при котором время между запросами от радара изменяется незначительно, систематизированным и легко различимым повторяющимся образом. Изменение частоты повторения позволяет радару на основе от импульса к импульсу различать отражения от его собственных передач и отражения от других радиолокационных систем с той же частотой повторения импульсов и аналогичной радиочастотой. Рассмотрим радар с постоянным интервалом между импульсами; отражения от цели появляются в относительно постоянном диапазоне, зависящем от времени полета импульса. В сегодняшнем очень загруженном радиочастотном спектре может быть много других импульсов, обнаруживаемых приемником, либо непосредственно от передатчика, либо как отражения от других источников. Поскольку их кажущееся «расстояние» определяется путем измерения их времени относительно последнего импульса, переданного «нашим» радаром, эти «мешающие» импульсы могут появиться на любом видимом расстоянии. Когда частота повторения импульсов «помехового» радара очень похожа на «нашу», эти видимые расстояния могут изменяться очень медленно, как и реальные цели. Используя ступенчатый сдвиг, разработчик радара может заставить «помехи» беспорядочно прыгать вокруг видимого диапазона, препятствуя интеграции и уменьшая или даже подавляя его влияние на истинное обнаружение цели.

Без смещения PRF любые импульсы, исходящие от другого радара на той же радиочастоте, могут казаться стабильными во времени и могут быть ошибочно приняты за отражение от собственной передачи радара. При смещении PRF собственные цели радара кажутся стабильными по дальности относительно передаваемого импульса, в то время как «заглушающие» эхо-сигналы могут перемещаться в видимом диапазоне (некоррелированными), заставляя их отклоняться приемником. Постепенная частота повторения импульсов - это только один из нескольких аналогичных методов, используемых для этого, включая частоту повторения импульсов с дрожанием (при которой синхронизация импульсов изменяется менее предсказуемым образом), частотно-импульсная модуляция и несколько других подобных методов, основная цель которых - снизить вероятность непреднамеренная синхронность. Эти методы широко используются в морских и навигационных радарах, которые на сегодняшний день являются самыми многочисленными радарами на планете Земля.

Беспорядок

Под помехами понимаются радиочастотные (RF) эхо-сигналы, возвращаемые от целей, которые не интересны операторам радара. К таким целям относятся природные объекты, такие как земля, море, осадки (например, дождь, снег или град), песчаные бури , животные (особенно птицы), атмосферная турбулентность и другие атмосферные эффекты, такие как ионосферные отражения, следы метеоров и три тела. рассеяние шипа . Беспорядок также может создаваться искусственными объектами, такими как здания, и, намеренно, радиолокационными средствами противодействия, такими как мякина .

Некоторые помехи также могут быть вызваны длинным волноводом радара между приемопередатчиком радара и антенной. В типичном радаре с индикатором положения в плане (PPI) с вращающейся антенной это обычно будет рассматриваться как «солнце» или «солнечные лучи» в центре дисплея, поскольку приемник реагирует на эхо-сигналы от частиц пыли и ошибочно направленного радиочастотного сигнала в волноводе. . Регулировка времени между отправкой передатчиком импульса и включением каскада приемника обычно уменьшает солнечные лучи, не влияя на точность диапазона, поскольку большинство солнечных лучей вызвано рассеянным передающим импульсом, отраженным до того, как он покинет антенну. Помехи считаются источником пассивных помех, поскольку они появляются только в ответ на сигналы радара, посылаемые радаром.

Беспорядок обнаруживается и нейтрализуется несколькими способами. Беспорядок в промежутках между сканированиями радара может казаться статичным; при последующих отсканированных эхосигналах желаемые цели будут казаться движущимися, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Загромождение от моря можно уменьшить, используя горизонтальную поляризацию, в то время как количество дождя уменьшается за счет круговой поляризации (обратите внимание, что метеорологические радары стремятся к противоположному эффекту и поэтому используют линейную поляризацию для обнаружения осадков). Другие методы пытаются увеличить отношение сигнала к помехам.

Беспорядок движется по ветру или неподвижен. Двумя общими стратегиями улучшения показателей или производительности в беспорядочной среде являются:

  • Индикация движущейся цели , которая объединяет последовательные импульсы и
  • Доплеровская обработка, которая использует фильтры для отделения помех от желательных сигналов.

Наиболее эффективным методом уменьшения помех является импульсный доплеровский радар с возможностью обзора / сбивания . Доплер разделяет помехи от самолетов и космических аппаратов с помощью частотного спектра , поэтому отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в одном объеме, с использованием разницы скоростей. Для этого требуется когерентный передатчик. Другой метод использует индикацию движущейся цели, которая вычитает принимаемый сигнал из двух последовательных импульсов, используя фазу для уменьшения сигналов от медленно движущихся объектов. Это может быть адаптировано для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, таких как радар с амплитудно-импульсной модуляцией во временной области .

Постоянная частота ложных тревог , разновидность автоматической регулировки усиления (AGC), - это метод, который основан на возврате помех, намного превосходящем количество эхо-сигналов от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники целей. В прошлом АРУ радара управлялись электроникой и влияли на усиление всего приемника радара. По мере развития радаров AGC стала управляться с помощью программного обеспечения и влиять на усиление с большей детализацией в конкретных ячейках обнаружения.

Многолучевые эхо-сигналы радара от цели вызывают появление призраков.

Помехи также могут возникать из-за многолучевого эхо-сигнала от действительных целей, вызванного отражением от земли, атмосферным воздуховодом или ионосферным отражением / преломлением (например, аномальное распространение ). Этот тип беспорядка особенно неприятен, поскольку кажется, что он движется и ведет себя так же, как и другие обычные (точечные) цели, представляющие интерес. В типичном сценарии эхосигнал самолета отражается от земли под землей и воспринимается приемником как идентичная цель ниже правильной. Радар может попытаться объединить цели, сообщая о цели на неправильной высоте или устраняя ее на основании дрожания или физической невозможности. Подавление отскока от местности использует эту реакцию, усиливая радиолокационный сигнал и направляя его вниз. Эти проблемы могут быть преодолены путем включения карты местности вокруг радара и устранения всех эхосигналов, которые, как представляется, возникают под землей или выше определенной высоты. Моноимпульс можно улучшить, изменив алгоритм высоты, используемый при малой высоте. В более новом радиолокационном оборудовании для управления воздушным движением используются алгоритмы для определения ложных целей путем сравнения текущих импульсов, отраженных от соседних, а также для расчета вероятностей возврата.

Контроль времени чувствительности (STC)

STC используется для предотвращения насыщения приемника из-за помех от земли путем регулировки затухания приемника в зависимости от расстояния. К приближающимся возвратам применяется большее ослабление, которое уменьшается по мере увеличения дальности.

Однозначный диапазон

Одиночный PRF
Радарные эхо

В простых системах эхо-сигналы от целей должны быть обнаружены и обработаны до того, как будет сгенерирован следующий импульс передатчика, чтобы избежать неоднозначности дальности. Неопределенность диапазона возникает, когда время, необходимое для возврата эхо-сигнала от цели, больше периода повторения импульсов (T); если интервал между передаваемыми импульсами составляет 1000 микросекунд, а время возврата импульса от удаленной цели составляет 1200 микросекунд, видимое расстояние до цели составляет всего 200 микросекунд. В общем, эти «вторые эхо» появляются на дисплее как цели, находящиеся ближе, чем они есть на самом деле.

Рассмотрим следующий пример: если антенна радара расположена на высоте около 15 м над уровнем моря, то расстояние до горизонта довольно близко (возможно, 15 км). Наземные цели дальше этого диапазона не могут быть обнаружены, поэтому PRF может быть довольно высоким; радар с частотой повторения импульсов 7,5 кГц будет возвращать неоднозначные эхо-сигналы от целей на расстоянии около 20 км или над горизонтом. Если, однако, частота повторения импульсов была увеличена вдвое до 15 кГц, то неопределенный диапазон уменьшится до 10 км, и цели за пределами этого диапазона будут отображаться на дисплее только после того, как передатчик излучает еще один импульс. Цель на расстоянии 12 км будет казаться находящейся на расстоянии 2 км, хотя сила эха может быть намного ниже, чем от реальной цели на расстоянии 2 км.

Максимальный однозначный диапазон изменяется обратно пропорционально PRF и определяется как:

где c - скорость света . Если для этой простой системы требуется более длинная однозначная дальность, тогда требуются более низкие значения PRF, и для радаров раннего поиска было довольно распространено иметь PRF на уровне нескольких сотен Гц, что давало однозначную дальность, значительно превышающую 150 км. Однако более низкие значения PRF создают другие проблемы, в том числе плохую окраску цели и неоднозначность скорости в импульсно-доплеровских системах (см. Ниже ).

Множественная PRF

Современные радары, особенно радары воздушного боя в военных самолетах, могут использовать PRF в диапазоне от десятков до сотен килогерц и смещать интервалы между импульсами, чтобы определить правильную дальность. В этой форме смещенной PRF пакет импульсов передается с фиксированным интервалом между каждым импульсом, а затем другой пакет передается с немного другим интервалом. Отражения от цели появляются в разных диапазонах для каждого пакета ; эти различия накапливаются, и затем простые арифметические методы могут применяться для определения истинного диапазона. Такие радары могут использовать повторяющиеся шаблоны пакетов или более адаптируемые пакеты, которые реагируют на очевидное поведение цели. Несмотря на это, радары, в которых используется этот метод, являются универсально когерентными , с очень стабильной радиочастотой, и пакеты импульсов также могут использоваться для измерения доплеровского сдвига (изменение кажущейся радиочастоты, зависящее от скорости), особенно когда PRF находятся в диапазоне сотен килогерц. Радары, использующие эффекты Доплера таким образом, обычно сначала определяют относительную скорость по эффекту Доплера, а затем используют другие методы для определения расстояния до цели.

Максимальный однозначный диапазон

В самом упрощенном виде MUR (Максимальный однозначный диапазон) для последовательности смещенных импульсов может быть вычислен с использованием TSP (общего периода последовательности). TSP определяется как общее время, необходимое для повторения импульсного шаблона. Это можно найти, сложив все элементы в шахматной последовательности. Формула выводится из скорости света и длины последовательности:

где c - скорость света , обычно в метрах в микросекунду, а TSP - это сложение всех положений разнесенной последовательности, обычно в микросекундах. Однако в ступенчатой ​​последовательности некоторые интервалы могут повторяться несколько раз; когда это происходит, более уместно рассматривать TSP как добавление всех уникальных интервалов в последовательности.

Кроме того, стоит помнить, что могут быть большие различия между MUR и максимальным диапазоном (диапазон, за пределами которого отражения, вероятно, будут слишком слабыми для обнаружения), и что максимальный инструментальный диапазон может быть намного короче любого из них. Гражданский морской радар, например, может иметь выбираемую пользователем максимальную дальность отображения с помощью приборов 72, 96 или редко 120 морских миль, в соответствии с международным правом, но максимальную однозначную дальность более 40000 морских миль и максимальную дальность обнаружения, возможно, 150. морские мили. Когда отмечаются такие огромные различия, это показывает, что основная цель ступенчатой ​​PRF состоит в уменьшении "помех", а не в увеличении однозначной дальности.

Радиолокационный сигнал в частотной области

Радары с чистым CW отображаются как одна линия на дисплее анализатора спектра, и при модуляции другими синусоидальными сигналами спектр мало отличается от спектра, полученного с помощью стандартных схем аналоговой модуляции , используемых в системах связи, таких как частотная модуляция, и состоит из несущей плюс относительно небольшое количество боковых полос . Когда радиолокационный сигнал модулируется последовательностью импульсов, как показано выше, спектр становится намного более сложным и его гораздо труднее визуализировать.

Частотный спектр передачи базового радара
Спектр трехмерного доплеровского радара, показывающий код Баркера из 13

Базовый анализ Фурье показывает, что любой повторяющийся сложный сигнал состоит из ряда гармонически связанных синусоидальных волн. Последовательность импульсов радара представляет собой форму прямоугольной волны , чистая форма которой состоит из основной гармоники и всех нечетных гармоник. Точный состав последовательности импульсов будет зависеть от ширины импульса и частоты повторения импульсов, но можно использовать математический анализ для расчета всех частот в спектре. Когда последовательность импульсов используется для модуляции несущей радара, будет получен типичный спектр, показанный слева.

Исследование этого спектрального отклика показывает, что он содержит две основные структуры. Грубая структура ; (пики или «лепестки» на диаграмме слева) и тонкую структуру, которая содержит отдельные частотные компоненты, как показано ниже. Огибающие лепестков в структуре грубого определяются по формуле: .

Обратите внимание, что ширина импульса ( ) определяет расстояние между лепестками. Меньшая ширина импульса приводит к более широким лепесткам и, следовательно, большей ширине полосы.

Частотный спектр передачи радара

Более детальное изучение спектрального отклика, как показано справа, показывает, что тонкая структура содержит отдельные линии или точечные частоты. Формула для тонкой структуры задается формулой, и поскольку период PRF (T) появляется в нижней части уравнения тонкого спектра, при использовании более высоких PRF линий будет меньше. Эти факты влияют на решения, принимаемые разработчиками радаров при рассмотрении компромиссов, которые необходимо сделать при попытке преодолеть неоднозначности, влияющие на сигналы радаров.

Профилирование импульсов

Если времена нарастания и спада импульсов модуляции равны нулю (например, фронты импульсов бесконечно резкие), то боковые полосы будут такими, как показано на спектральных диаграммах выше. Полоса пропускания, потребляемая этой передачей, может быть огромной, а общая передаваемая мощность распределяется по многим сотням спектральных линий. Это потенциальный источник помех для любого другого устройства, а частотно-зависимые дефекты в цепи передачи означают, что часть этой мощности никогда не достигает антенны. В действительности, конечно, невозможно добиться таких острых краев, поэтому в практических системах боковые полосы содержат гораздо меньше линий, чем идеальная система. Если полоса пропускания может быть ограничена включением относительно небольшого количества боковых полос, путем преднамеренного спада фронтов импульсов, может быть реализована эффективная система с минимальным потенциалом помех для соседнего оборудования. Однако недостатком этого является то, что медленные фронты ухудшают разрешение диапазона. Ранние радары ограничивали полосу пропускания за счет фильтрации в цепи передачи, например волноводе, сканере и т. Д., Но производительность могла быть спорадической, когда нежелательные сигналы пробивались на удаленных частотах, а края восстановленного импульса были неопределенными. Дальнейшее изучение основного спектра радара, показанного выше, показывает, что информация в различных лепестках грубого спектра идентична информации, содержащейся в главном лепестке, поэтому ограничение полосы пропускания передачи и приема до такой степени дает значительные преимущества с точки зрения эффективности и шума. снижение.

Частотный спектр пропускания радара трапециевидного профиля импульса

Последние достижения в технологии обработки сигналов сделали использование профилирования или формирования импульсов более распространенным. Путем формирования огибающей импульса до того, как она будет применена к передающему устройству, скажем, по закону косинуса или трапеции, можно ограничить полосу пропускания в источнике с меньшей зависимостью от фильтрации. Когда этот метод сочетается со сжатием импульсов , можно достичь хорошего компромисса между эффективностью, производительностью и разрешением по дальности. На диаграмме слева показано влияние на спектр трапецеидального профиля импульса. Видно, что энергия в боковых полосах значительно снижена по сравнению с основным лепестком, а амплитуда главного лепестка увеличена.

Частотный спектр пропускания радара профиля косинусоидального импульса

Точно так же использование косинусоидального профиля импульса имеет еще более заметный эффект, когда амплитуда боковых лепестков практически становится незначительной. Главный лепесток снова увеличивается по амплитуде, а боковые лепестки соответственно уменьшаются, что дает значительное улучшение характеристик.

Существует множество других профилей, которые можно использовать для оптимизации производительности системы, но профили косинуса и трапеции обычно обеспечивают хороший компромисс между эффективностью и разрешением и поэтому, как правило, используются наиболее часто.

Однозначная скорость

Доплеровский спектр. Умышленно не указаны единицы (например, это могут быть дБу и МГц).

Это проблема только для определенного типа системы; импульсно-доплеровский радар , который использует эффект Доплера для скорости от RESOLVE видимого изменения частоты , вызванного мишеней , которые имеют чистые радиальные скорости по сравнению с радиолокационным устройством. Исследование спектра, генерируемого импульсным передатчиком, показанным выше, показывает, что каждая из боковых полос (как грубая, так и тонкая) будет подвержена эффекту Доплера, что является еще одной веской причиной для ограничения ширины полосы и спектральной сложности с помощью профилирования импульсов.

Рассмотрим положительный сдвиг, вызванный закрывающейся целью на диаграмме, которая для ясности сильно упрощена. Можно видеть, что по мере увеличения относительной скорости будет достигнута точка, в которой спектральные линии, составляющие эхо-сигналы, будут скрыты или наложены на следующую боковую полосу модулированной несущей. Передача нескольких пакетов импульсов с разными значениями PRF, например, ступенчатыми PRF, разрешит эту неоднозначность, поскольку каждое новое значение PRF приведет к новому положению боковой полосы, раскрывая скорость приемнику. Максимальная однозначная скорость цели определяется как:

Типовые параметры системы

Учет всех вышеперечисленных характеристик означает, что на разработчика РЛС накладываются определенные ограничения. Например, система с несущей частотой 3 ГГц и шириной импульса 1 мкс будет иметь период несущей приблизительно 333 пс. Каждый переданный импульс будет содержать около 3000 несущих циклов, а значения неоднозначности скорости и диапазона для такой системы будут:

PRF Неопределенность скорости Неопределенность диапазона
Низкий (2 кГц) 50 м / с 75 км
Средний (12 кГц) 300 м / с 12,5 км
Высокая (200 кГц) 5000 м / с 750 м

Смотрите также

Рекомендации

  • Современные радиолокационные системы Хамиша Мейкла ( ISBN   0-86341-172-X )
  • Передовые методы и системы радаров под редакцией Гаспаре Галати ( ISBN   1-58053-294-2 )