Войти
Бортовая антенна импульсного доплеровского радара A импульсный доплеровский радар - это радар система, которая определяет расстояние до цели с использованием методов синхронизации импульсов и использует эффект Доплера возвращенного сигнала для определения скорости целевого объекта. Он сочетает в себе функции импульсных радаров и радаров непрерывного действия, которые ранее были разделены из-за сложности электроники.
Первый рабочий импульсный радар с импульсным доплером находился в CIM- 10 Bomarc, американская сверхзвуковая ракета большой дальности с двигателем прямоточного воздушно-реактивного двигателя, которая была вооружена ядерным оружием W40 для уничтожения целых групп атакующих самолетов противника. Импульсно-доплеровские системы были впервые широко использованы на истребитель с 1960-х гг. Ранее радары использовали синхронизацию импульсов для определения дальности и угла антенны (или аналогичные средства) для определения пеленга. Однако это работало только тогда, когда антенна радара не была направлена вниз; в этом случае отражение от земли подавляло любые отражения от других объектов. Поскольку земля движется с той же скоростью, но в противоположном направлении от самолета, методы Доплера позволяют отфильтровать возврат земли, открывая воздушные суда и транспортные средства. Это дает возможность импульсным доплеровским радарам «смотреть вниз / сбивать ». Второстепенным преимуществом военного радара является снижение передаваемой мощности при достижении приемлемых характеристик для повышения безопасности скрытого радара.
Методы импульсного допплера также находят широкое применение в метеорологических радарах, что позволяет радарам для определения скорости ветра по скорости любых осадков в воздухе. Импульсный доплеровский радар также является основой радара с синтезированной апертурой, используемого в радиолокационной астрономии, дистанционном зондировании и картографировании. В управлении воздушным движением они используются для различения воздушных судов от беспорядка. Помимо вышеперечисленных традиционных приложений наблюдения, импульсный доплеровский радар успешно применяется в здравоохранении, например, для оценки риска падений и обнаружения падений, для медицинских или клинических целей.
Самые ранние радиолокационные системы не работали как и ожидалось. Причина была связана с эффектами Доплера, которые снижают производительность систем, не предназначенных для учета движущихся объектов. Быстро движущиеся объекты вызывают сдвиг фазы в передаваемом импульсе, что может привести к гашению сигнала. Доплеровский режим имеет максимальное пагубное влияние на системы индикаторов движущихся целей, которые должны использовать обратный фазовый сдвиг для компенсации Доплера в детекторе.
Доплеровские погодные эффекты (осадки) также ухудшают обычный радар и радар-указатель движущихся целей, которые могут маскировать отражения самолетов. Это явление было адаптировано для использования с метеорологическим радаром в 1950-х годах после рассекречивания некоторых систем времен Второй мировой войны.
Импульсный доплеровский радар был разработан во время Второй мировой войны для преодоления ограничений за счет увеличения частоты повторения импульсов. Это потребовало разработки клистрона, лампы бегущей волны и твердотельных устройств. Ранние импульсные доплеры были несовместимы с другими мощными микроволновыми устройствами усиления, которые не были когерентными, но были разработаны более сложные методы, которые записывают фазу каждого переданного импульса для сравнения с отраженными эхо-сигналами.
Ранние примеры военных систем включают AN / SPG-51 B, разработанные в 1950-х годах специально для работы в ураганных условиях без ухудшения характеристик.
Система управления огнем Hughes AN / ASG-18 была прототипом бортовой РЛС / комбинированной системы для планируемого североамериканского самолета-перехватчика XF-108 Rapier для США. Штаты ВВС США, а затем для Lockheed YF-12. Первый в США импульсный доплеровский радар, система имела возможность обзора / сбивания и могла отслеживать одну цель за раз.
Погода, мякина, местность, методы полета и скрытность - распространенные тактики, используемые для скрытия самолета от радаров.. Импульсный доплеровский радар устраняет эти недостатки.
Использование импульсных доплеровских радаров на самолетах стало возможным после того, как в их конструкцию были включены цифровые компьютеры. К середине 1970-х годов импульсный допплер обеспечивал возможность обзора / сбивания для поддержки ракетных систем класса «воздух-воздух» в большинстве современных военных самолетов.
Принцип импульсного доплеровского радара 
Принцип импульсного радара Импульсно-доплеровские системы измеряют расстояние до объектов путем измерения времени, прошедшего между отправкой импульса радиоэнергия и получение отражения от объекта. Радиоволны распространяются со скоростью скорости света, поэтому расстояние до объекта - это прошедшее время, умноженное на скорость света, разделенное на два - туда и обратно.
Изменение длины волны, вызванное движением источника Импульсно-доплеровский радар основан на эффекте Доплера, когда перемещение в диапазоне вызывает сдвиг частоты сигнала отраженный от цели.
Радиальная скорость необходим для работы импульсного доплеровского радара. Когда отражатель перемещается между каждым импульсом передачи, возвращаемый сигнал имеет разность фаз или фазовый сдвиг от импульса к импульсу. Это заставляет рефлектор производить доплеровскую модуляцию отраженного сигнала.
Импульсные доплеровские радары используют это явление для улучшения характеристик.
Амплитуда последовательно возвращающегося импульса из того же сканированного объема составляет
где
- расстояние от радара до цели,
- длина волны радара,
- время между двумя импульсами.Итак
Это позволяет радару отделять отражения от нескольких объектов, расположенных в одном объеме пространства, путем разделения объекты, использующие расширенный спектр для разделения различных сигналов:
где 
Скорость отклонения выбирается в импульсных доплеровских системах обнаружения самолетов, поэтому ничего ниже этой скорости обнаруживаться не будет. Луч антенны в один градус освещает миллионы квадратных футов местности на расстоянии 10 миль (16 км), и это дает тысячи обнаружений на горизонте или ниже горизонта, если доплеровский режим не используется.
Импульсный доплеровский радар использует следующие критерии обработки сигналов для исключения нежелательных сигналов от медленно движущихся объектов. Это также известно как отказ от беспорядка. Скорость отклонения обычно устанавливается чуть выше преобладающей скорости ветра (от 10 до 100 миль / час или от 15 до 150 км / час). Порог скорости намного ниже для метеорологического радара.
В бортовом импульсном доплеровском радаре пороговое значение скорости компенсируется скоростью самолета относительно земли.
где 
Отражения от поверхности появляются почти на всех радарах. Земные помехи обычно появляются в круговой области в радиусе около 25 миль (40 км) вблизи наземного радара. Это расстояние намного больше в бортовых и космических радарах. Беспорядки возникают в результате отражения радиоэнергии от поверхности земли, зданий и растений. Помехи включают погоду в радаре, предназначенном для обнаружения и сообщения о самолетах и космических аппаратах.
Помехи создают уязвимую зону в радаре временной области с амплитудой импульса. Недоплеровские радиолокационные системы нельзя направить прямо на землю из-за чрезмерного количества ложных тревог, которые перегружают компьютеры и операторов. Чтобы избежать перегрузки, необходимо снизить чувствительность вблизи беспорядка. Эта уязвимость начинается в области малой возвышенности на несколько лучей над горизонтом и распространяется вниз. Это также существует во всем объеме движущегося воздуха, связанного с погодным явлением.
Импульсный доплеровский радар исправляет это следующим образом.
Возможность подавления помех около 60 дБ требуется для возможности обзора / сбивания, и импульсный доплеровский режим является единственной стратегией, которая может удовлетворить это требование. Это устраняет уязвимости, связанные с окружающей средой на малых высотах и за горизонтом.
Сжатие импульсов и индикатор движущейся цели (MTI) обеспечивают видимость суб-помех до 25 дБ. Луч антенны MTI направлен над горизонтом, чтобы избежать чрезмерного количества ложных тревог, что делает систему уязвимой. Самолеты и некоторые ракеты используют эту слабость, используя технику под названием, летающую под радаром, чтобы избежать обнаружения (Nap-of-the-earth ). Эта техника полета неэффективна против импульсного доплеровского радара.
Импульсный допплер дает преимущество при попытке обнаружить ракеты и летательные аппараты с низкой наблюдаемостью, летящие вблизи местности, морской поверхности и погоды.
Звуковой доплер и размер цели поддерживают пассивную классификацию типа транспортного средства, когда идентификация друга или врага недоступна из сигнала транспондера. Средняя частота повторения импульсов (PRF) отраженных микроволновых сигналов находится в диапазоне от 1500 до 15000 циклов в секунду, что является слышимым. Это означает, что вертолет звучит как вертолет, струя звучит как реактивный самолет, а пропеллерный самолет звучит как пропеллеры. Самолет без движущихся частей издает звуковой сигнал. Фактический размер цели может быть рассчитан с использованием звукового сигнала.
Максимальный диапазон от отражательной способности (красный) и однозначный диапазон доплеровской скорости (синий) с фиксированной частотой повторения импульсов. Неопределенность обработка требуется, когда целевой диапазон находится выше красной линии на графике, что увеличивает время сканирования.
Время сканирования является критическим фактором для некоторых систем, поскольку транспортные средства, движущиеся со скоростью звука или выше, могут преодолевать одну милю (1,6 км) каждые несколько секунд, как, например, Exocet, Гарпун, Кухня и Ракета класса "воздух-воздух". Максимальное время для сканирования всего объема неба должно составлять порядка десятка секунд или меньше для систем, работающих в этой среде.
Сам по себе импульсный доплеровский радар может работать слишком медленно, чтобы покрыть весь объем пространства над горизонтом, если не используется веерный луч. Этот подход используется с радаром наблюдения за воздушным пространством очень большого радиуса действия AN / SPS 49 (V) 5, который жертвует измерением высоты ради увеличения скорости.
Движение антенны импульсного доплера должно быть достаточно медленным, чтобы все отраженные сигналы по крайней мере от 3 различных PRF могут быть обработаны до максимального ожидаемого диапазона обнаружения. Это известно как время задержки. Движение антенны для импульсного допплера должно быть таким же медленным, как и у радара, использующего MTI.
. Поисковый радар, который включает импульсный доплеровский режим, обычно работает в двух режимах, поскольку наилучшие общие характеристики достигаются при использовании импульсного допплера для областей с высокой частотой ложных тревог (горизонт или ниже и погода), в то время как обычный радар будет сканировать быстрее в свободном пространстве, где уровень ложных тревог невелик (над горизонтом при чистом небе).
Тип антенны является важным аспектом для многомодового радара, поскольку нежелательный фазовый сдвиг, вносимый антенной радара, может ухудшить измерения характеристик для видимости суб-помех.
Усовершенствованная технология импульсного доплеровского анализа сигналов позволяет обнаруживать небольшие высокоскоростные объекты в непосредственной близости от больших медленно движущихся отражателей. Для этого передатчик должен быть когерентным и производить низкий фазовый шум в течение интервала обнаружения, а приемник должен иметь большой мгновенный динамический диапазон.
Обработка импульсно-доплеровского сигнала также включает разрешение неоднозначности для определения истинной дальности и скорости.
Принятые сигналы от нескольких PRF сравниваются для определения истинного диапазона с использованием процесса разрешения неоднозначности диапазона.
Принятые сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности частоты.
Разрешение по дальности - это минимальное расстояние между двумя объектами, движущимися с одинаковой скоростью, прежде чем радар сможет обнаружить два дискретных отражения:
В В дополнение к этому пределу выборки длительность переданного импульса может означать, что сигналы от двух целей будут приниматься одновременно от разных частей импульса.
Разрешение по скорости - это минимальная разница радиальных скоростей между двумя объектами, движущимися на одном и том же расстоянии, прежде чем радар сможет обнаружить два дискретных отражения:
РЛС с импульсным доплером имеет особые требования, которые должны быть выполнены для достижения приемлемых характеристик.
Импульсный доплеровский режим обычно использует среднюю частоту повторения импульсов (PRF) примерно от 3 кГц до 30 кГц. Диапазон между импульсами передачи составляет от 5 км до 50 км.
Дальность и скорость не могут быть измерены напрямую с использованием средней частоты повторения импульсов, поэтому для определения истинного диапазона и скорости требуется разрешение неоднозначности. Доплеровские сигналы обычно превышают 1 кГц, что является слышимым, поэтому аудиосигналы от систем со средней частотой повторения импульсов могут использоваться для классификации пассивных целей.
Радиолокационные системы требуют измерения угла. Транспондеры обычно не связаны с импульсным доплеровским радаром, поэтому для практической работы требуется подавление боковых лепестков.
Радиолокационные системы слежения используют угловую погрешность для повышения точности за счет выполнения измерений перпендикулярно лучу антенны радара. Угловые измерения усредняются за период времени и объединяются с радиальным перемещением для получения информации, пригодной для прогнозирования положения цели на короткое время в будущем.
В радаре слежения используются два метода угловой ошибки: моноимпульсное и коническое сканирование.
Импульсно-доплеровский радар требует когерентного генератора с очень низким уровнем шума. Фазовый шум снижает видимость суб-помех, создавая видимое движение на неподвижных объектах.
Резонаторный магнетрон и усилитель со скрещенным полем не подходят, поскольку шум, создаваемый этими устройствами, влияет на качество обнаружения. Единственными устройствами усиления, подходящими для импульсного допплера, являются клистрон, лампа бегущей волны и твердотельные устройства.
Обработка импульсно-доплеровского сигнала представляет собой явление, называемое зубчатым движением. Название связано с серией дыр, которые вычерпываются из-за возможности обнаружения.
Скаллопирование для импульсного доплеровского радара включает слепые скорости, создаваемые фильтром подавления помех. Каждый объем пространства необходимо сканировать с использованием 3 или более различных PRF. Схема обнаружения с двумя частями повторения импульсов будет иметь промежутки обнаружения с набором дискретных диапазонов, каждый из которых имеет слепую скорость.
Артефакты звонка создают проблему с поиском, обнаружением и разрешением неоднозначности в импульсном доплеровском радаре.
Звонок снижается двумя способами.
Во-первых, форма импульса передачи регулируется для сглаживания переднего и заднего фронтов, так что РЧ-мощность увеличивается и уменьшается без резких изменений. Это создает передающий импульс с гладкими концами вместо прямоугольной волны, что уменьшает явление звона, которое иначе связано с отражением от цели.
Во-вторых, форма принимаемого импульса регулируется с использованием оконной функции, которая минимизирует звон, который возникает каждый раз, когда импульсы применяются к фильтру. В цифровой системе это регулирует фазу и / или амплитуду каждой выборки перед ее применением к быстрому преобразованию Фурье. Окно Дельфа-Чебышева является наиболее эффективным, поскольку оно создает ровный технологический пол без звона, который в противном случае вызвал бы ложные срабатывания.
Импульсно-доплеровский радар обычно ограничивается механически наведенными антеннами и активной фазовой решеткой.
Механические радиочастотные компоненты, такие как волновод, могут создавать доплеровскую модуляцию из-за фазового сдвига, вызванного вибрацией. Это вводит требование выполнять полный спектр эксплуатационных испытаний с использованием вибростендов, которые могут производить механическую вибрацию большой мощности на всех ожидаемых звуковых частотах.
Доплеровский режим несовместим с большинством фазовых антенных решеток с электронным управлением. Это связано с тем, что элементы фазовращателя в антенне не являются взаимными, и фазовый сдвиг необходимо регулировать до и после каждого импульса передачи. Паразитный фазовый сдвиг возникает из-за внезапного импульса фазового сдвига, и установление во время периода приема между передаваемыми импульсами помещает доплеровскую модуляцию в стационарные помехи. Эта модуляция приема искажает показатель эффективности для видимости суб-помех. Требуется время установления фазовращателя порядка 50 нс. Начало выборки приемника необходимо отложить, по крайней мере, на 1 постоянную времени установки фазовращателя (или более) на каждые 20 дБ видимости суб-помех.
Большинство антенных фазовращателей, работающих с частотой повторения импульсов выше 1 кГц, вносят паразитный фазовый сдвиг, если не приняты специальные меры, такие как сокращение времени установления фазовращателя до нескольких десятков наносекунд.
Ниже приведены максимальные значения допустимое время установления для антенн модулей фазового сдвига.
где
Тип антенны и характеристики сканирования являются практическим соображением для многомодовых радиолокационных систем.
Неровные поверхности, такие как волны и деревья, образуют дифракционную решетку, подходящую для искажения микроволновых сигналов. Импульсный допплер может быть настолько чувствительным, что дифракция от гор, зданий или вершин волн может использоваться для обнаружения быстро движущихся объектов, которые в противном случае блокируются твердыми препятствиями на линии обзора. Это явление с очень большими потерями становится возможным только тогда, когда радар имеет значительную дополнительную видимость суб-помех.
Преломление и воздуховод используют частоту передачи в L-диапазоне или ниже для увеличения горизонта, что сильно отличается от дифракции. Refraction для загоризонтного радара использует переменную плотность в воздушном столбе над поверхностью земли для искажения радиочастотных сигналов. Инверсионный слой может создавать переходные процессы, которые улавливают радиочастотные сигналы в тонком слое воздуха, как в волноводе.
Видимость субглушения включает максимальное отношение мощности препятствия к мощности цели, которое пропорционально динамическому диапазону. Это определяет производительность в плохую погоду и у поверхности земли.
Видимость субглушения - это коэффициент наименьшего сигнала, который может быть обнаружен в присутствии более сильного сигнала.
Небольшое отражение быстро движущейся цели можно обнаружить в наличие более крупных отражений от медленно движущихся препятствий, когда выполняется следующее:
Уравнение импульсного доплеровского радара можно использовать для понимания компромиссов между различными конструктивными ограничениями, такими как энергопотребление, дальность обнаружения и угрозы безопасности микроволнового излучения. Это очень простая форма моделирования, которое позволяет оценить производительность в стерильной среде.
Теоретический диапазон производительности следующий:
где
Это уравнение выводится путем объединения уравнения радара с уравнением шума и учета внутриполосного распределения шума по множеству фильтров обнаружения. Значение D добавляется к стандартному уравнению дальности радара для учета как обработки импульсного доплеровского сигнала, так и подавления ЧМ шума передатчика.
Дальность обнаружения увеличивается пропорционально корню четвертой степени из числа фильтры для заданного энергопотребления. В качестве альтернативы потребление энергии сокращается на количество фильтров для заданного диапазона обнаружения.
Обработка импульсно-доплеровского сигнала объединяет всю энергию всех отдельных отраженных импульсов, которые попадают в фильтр. Это означает, что система обработки импульсно-доплеровского сигнала с 1024 элементами обеспечивает улучшение на 30,103 дБ благодаря типу обработки сигнала, который должен использоваться с импульсным доплеровским радаром. Энергия всех отдельных импульсов от объекта складывается в процессе фильтрации.
Обработка сигнала 1024-точечным фильтром улучшает характеристики на 30,103 дБ при условии совместимости передатчика и антенны. Это соответствует увеличению максимальной дистанции на 562%.
Эти усовершенствования являются причиной того, что импульсный доплер необходим для военной и астрономии.
импульсный доплеровский радар для обнаружения самолетов, имеет два режима.
Режим сканирования включает частотную фильтрацию, определение пороговых значений амплитуды и разрешение неоднозначности. Как только отражение было обнаружено и разрешено, импульсный доплеровский радар автоматически переходит в режим слежения для объема пространства, окружающего трек.
Режим отслеживания работает как контур фазовой автоподстройки частоты, где доплеровская скорость сравнивается с перемещением по дальности при последовательных сканированиях. Блокировка указывает, что разница между двумя измерениями ниже порогового значения, которое может иметь место только с объектом, который удовлетворяет механике Ньютона. Другие типы электронных сигналов не могут произвести блокировку. Блокировка отсутствует ни в одном другом радаре.
критерий блокировки должен выполняться во время нормальной работы.
Блокировка устраняет необходимость вмешательства человека, за исключением вертолетов и электронные помехи.
Погодные явления подчиняются адиабатическому процессу, связанному с воздушной массой, а не ньютоновской механикой, поэтому критерии блокировки обычно не используются для метеорологических радаров.
Обработка импульсного доплеровского сигнала выборочно исключает низкоскоростные отражения, чтобы не было обнаружений ниже пороговой скорости. Это устраняет ландшафт, погоду, биологические факторы и механические помехи, за исключением самолетов-ловушек.
Доплеровский сигнал цели от обнаружения преобразуется из частотной области обратно в временную область звук для оператора в режиме отслеживания на некоторых радиолокационных системах. Оператор использует этот звук для пассивной классификации целей, например для распознавания вертолетов и электронных помех.
Особое внимание необходимо уделить самолетам с большими движущимися частями, потому что импульсный доплеровский радар работает как контур фазовой автоподстройки частоты. Кончики лезвий, движущиеся со скоростью, близкой к скорости звука, создают единственный сигнал, который можно обнаружить, когда вертолет медленно движется вблизи местности и погодных условий.
Вертолеты выглядят как быстро пульсирующие излучатели шума, за исключением чистой окружающей среды, свободной от помех. Звуковой сигнал используется для пассивной идентификации типа находящегося в воздухе объекта. Микроволновый доплеровский сдвиг частоты, вызванный движением рефлектора, попадает в диапазон слышимого звука для людей (20-20 000 Гц), который используется для классификации целей в дополнение к видам обычных радиолокационных дисплеев, используемых для этой цели, например, A-scope, B-scope, C-scope и индикатор RHI. Человеческое ухо может уловить разницу лучше, чем электронное оборудование.
Требуется специальный режим, поскольку информация обратной связи по доплеровской скорости должна быть отключена от радиального движения, чтобы система могла переходить от сканирования к треку без блокировки.
Подобные методы требуются для получения информации о треке для сигналов глушения и помех, которые не могут удовлетворять критериям захвата.
Импульсный доплеровский радар должен быть многомодовым, чтобы управлять поворотом и пересечением траектории самолета.
В режиме слежения импульсный доплеровский радар должен включать способ изменения доплеровской фильтрации для объема пространства, окружающего трек, когда радиальная скорость падает ниже минимальной скорости обнаружения. Регулировка доплеровского фильтра должна быть связана с функцией слежения радара для автоматической регулировки скорости отклонения доплеровского сигнала в пределах объема пространства, окружающего трек.
Без этой функции слежение прекратится, потому что в противном случае сигнал цели будет отклонен доплеровским фильтром, когда радиальная скорость приближается к нулю, потому что нет изменения частоты.
Многорежимный режим может также включать непрерывное освещение волны для полуактивного радиолокационного самонаведения.
