Частота повторения импульсов

Частота повторения импульсов (PRF ) - это количество импульсов в повторяющийся сигнал в определенной единице времени, обычно измеряемый в импульсах в секунду . Этот термин используется в ряде технических дисциплин, в частности, радар.

. В радаре включается и выключается радиосигнал определенной несущей частоты ; термин «частота» относится к несущей, в то время как PRF относится к количеству переключателей. Оба значения измеряются в циклах в секунду или герцах. PRF обычно намного ниже, чем частота. Например, типичный радар Второй мировой войны, такой как Тип 7, имел базовую несущую частоту 209 МГц (209 миллионов циклов в секунду) и частоту повторения импульсов 300 или 500 импульсов в секунду. Связанная мера - это ширина импульса, время, в течение которого передатчик включен во время каждого импульса.

PRF - одна из определяющих характеристик радиолокационной системы, которая обычно состоит из мощного передатчика и чувствительного приемника, подключенных к одной антенне. После создания короткого импульса радиосигнала передатчик выключается, чтобы приемные устройства слышали отражения этого сигнала от удаленных целей. Поскольку радиосигнал должен идти к цели и обратно, требуемый период молчания между импульсами является функцией желаемой дальности действия радара. Для сигналов большего диапазона требуются более длительные периоды, требующие более низких значений PRF. И наоборот, более высокие частоты повторения импульсов производят более короткие максимальные дальности, но передают больше импульсов и, следовательно, радиоэнергии в заданное время. Это создает более сильные отражения, облегчающие обнаружение. Радиолокационные системы должны уравновешивать эти два конкурирующих требования.

При использовании старой электроники PRF обычно фиксировались на определенном значении или могли переключаться между ограниченным набором возможных значений. Это дает каждой радиолокационной системе характерный PRF, который может использоваться в радиоэлектронной борьбе для определения типа или класса конкретной платформы, такой как корабль или самолет, или, в некоторых случаях, конкретного подразделения. Приемники радиолокационных предупреждений в самолетах включают библиотеку общих PRF, которые могут определять не только тип радара, но в некоторых случаях режим работы. Это позволяло предупреждать пилотов, когда, например, батарея ЗРК SA-2 «заблокирована». Современные радиолокационные системы обычно способны плавно изменять свою частоту повторения импульсов, ширину импульса и несущую частоту, что значительно затрудняет идентификацию.

Системы сонара и лидара также имеют частоту повторения импульсов, как и любая импульсная система. В случае гидролокатора термин частота повторения импульсов (PRR ) является более распространенным, хотя он относится к той же концепции.

• 1 Введение
• 2 Определение
• 3 Физика
• 4 Измерение
  • 4.1 Неопределенность диапазона
  • 4.2 Низкое PRF
  • 4.3 Среднее PRF
  • 4.4 Высокое PRF
  • 4.5 Сонар
  • 4.6 Лазер
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

Электромагнитные (например, радио- или световые) волны - концептуально чистые одночастотные явления, тогда как импульсы можно математически представить как составные из ряда чистых частот, которые суммируются и обнуляются во взаимодействиях, которые создают последовательность импульсов определенных амплитуд, PRR, базовых частот, фазовых характеристик и так далее (см. Анализ Фурье ). Первый термин (PRF) чаще встречается в технической литературе по устройствам (Электротехника и некоторые науки), а последний (PRR) чаще используется в военно-аэрокосмической терминологии (особенно United Терминология вооруженных сил государств) и спецификации оборудования, такие как учебные и технические руководства для радаров и гидролокаторов.

обратная PRF (или PRR) называется временем повторения импульсов (PRT), интервалом повторения импульсов (PRI) или межимпульсным периодом (IPP), который представляет собой прошедшее время. время от начала одного импульса до начала следующего импульса. Термин IPP обычно используется для обозначения количества периодов PRT, подлежащих цифровой обработке. Каждый PRT имеет фиксированное число вентилей диапазона, но не все из них используются. Например, радар APY-1 использовал 128 IPP с фиксированными 50 стробами диапазона, создавая 128 доплеровских фильтров с использованием БПФ. Различное количество ворот дальности на каждом из пяти PRF все меньше 50.

В радаре технология PRF важна, поскольку она определяет максимальную дальность цели (R max) и максимальной доплеровской скорости (V max), которую может точно определить радар. И наоборот, высокий PRR / PRF может улучшить распознавание целей более близких объектов, таких как перископ или быстро движущаяся ракета. Это приводит к использованию низких PRR для поисковых радаров и очень высоких PRF для радаров управления огнем. Многие двухцелевые и навигационные радары, особенно военно-морские конструкции с переменными PRR, позволяют опытному оператору настраивать PRR для улучшения и прояснения радиолокационной картины - например, в плохих условиях моря, когда действие волн вызывает ложные отражения, и в целом для уменьшения помех. или, возможно, лучший ответный сигнал от видного объекта ландшафта (например, обрыва).

Частота повторения импульсов (PRF) - это количество раз, когда импульсная активность происходит каждую секунду.

Это похоже на цикл в секунду, используемый для описания других типов сигналов.

ЧСС обратно пропорциональна периоду времени $T\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{T\}\}$, который является свойством импульсной волны.

$T\; =\; 1\; PRF\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{T\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; text\; \{PRF\}\}\}\}$

PRF обычно связан с интервалом между импульсами, который представляет собой расстояние, которое проходит импульс. до появления следующего импульса.

$Интервал\; между\; импульсами\; =\; Скорость\; распространения\; PRF\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{Интервал\; между\; импульсами\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; text\; \{Скорость\; распространения\}\}\; \{\backslash \; text\; \{PRF\}\}\}\}$

PRF имеет решающее значение для выполнения измерений определенных физических явлений.

Например, тахометр может использовать стробоскоп с регулируемой частотой повторения импульсов для измерения скорости вращения. PRF для стробоскопа регулируется в сторону увеличения от низкого значения до тех пор, пока вращающийся объект не будет казаться неподвижным. Тогда PRF тахометра будет соответствовать скорости вращающегося объекта.

Другие типы измерений включают расстояние с использованием времени задержки для отраженных эхо-импульсов от передачи света, микроволн и звука.

PRF имеет решающее значение для систем и устройств, измеряющих расстояние.

• Радар
• Лазерный дальномер
• Сонар

Различные PRF позволяют системам выполнять очень разные функции.

Радиолокационная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал, отраженный от цели, для определения информации об этой цели.

PRF требуется для работы радара. Это скорость, с которой импульсы передатчика отправляются в воздух или космос.

Неопределенность дальности

Реальная цель на 100 км или эхо-сигнал второго цикла на расстоянии 400 км

Радиолокационная система определяет дальность через временную задержку между передачей и приемом импульса по соотношению:

$Range\; =\; c\; \tau \; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{Range\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\; \backslash \; tau\}\; \{2\}\}\}$

Для точного определения дальности импульс должен быть передан и отражен до следующего импульса передается. Это приводит к максимальному однозначному пределу диапазона:

$Max\; Range\; =\; c\; \tau \; PRT\; 2\; =\; c\; 2\; PRF\; \{\tau \; PRT\; =\; 1\; PRF\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{Max\; Range\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\; \backslash \; tau\; \_\; \{\backslash \; text\; \{PRT\}\}\}\; \{2\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{2\; \backslash ,\; \{\backslash \; text\; \{PRF\}\}\}\}\; \backslash \; qquad\; \{\backslash \; begin\; \{cases\}\; \backslash \; tau\; \_\; \{\backslash \; text\; \{PRT\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; text\; \{PRF\}\}\}\; \backslash \; end\; \{cases\}\}\}$

Максимальный диапазон также определяет неоднозначность диапазона для всех обнаруженных целей. Из-за периодической природы импульсных радиолокационных систем для некоторых радиолокационных систем невозможно определить разницу между целями, разделенными целыми кратными максимальной дальности, с использованием одного PRF. Более сложные радиолокационные системы позволяют избежать этой проблемы за счет использования нескольких PRF одновременно на разных частотах или на одной частоте с изменяющимся PRT.

Процесс разрешения неоднозначности диапазона используется для определения истинного диапазона, когда PRF превышает этот предел.

Низкая частота повторения импульсов

Системы, использующие частоту повторения импульсов ниже 3 кГц, считаются низкой частотой повторения импульсов, поскольку прямая дальность действия может быть измерена на расстоянии не менее 50 км. Радиолокационные системы, использующие низкий PRF, обычно дают однозначную дальность.

Однозначная доплеровская обработка становится все более сложной задачей из-за ограничений когерентности, поскольку PRF падает ниже 3 кГц.

Например, радар L-диапазона с частотой следования импульсов 500 Гц выдает неоднозначную скорость выше 75 м / с (170 миль / час) при обнаружении истинного диапазона до 300 км. Эта комбинация подходит для радаров гражданских самолетов и метеорологических радаров.

$дальность\; 300\; км\; =\; C\; 2\; \times \; 500\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{300\; км\; дальность\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{C\}\; \{2\; \backslash \; times\; 500\}\; \}\}$

$Скорость\; 75\; м\; /\; с\; =\; 500\; \times \; C\; 2\; \times \; 10\; 9\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{скорость\; 75\; м\; /\; с\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{500\; \backslash \; times\; C\}\; \{2\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{9\; \}\}\}\}$

РЛС с низкой частотой повторения импульсов имеют пониженную чувствительность при наличии низкоскоростных помех, которые мешают обнаружению самолетов вблизи местности. Индикатор движущейся цели обычно требуется для приемлемых характеристик вблизи местности, но при этом возникают проблемы с зубчатостью радара, которые усложняют приемник. РЛС с низкой частотой повторения импульсов, предназначенные для обнаружения самолетов и космических аппаратов, сильно страдают от погодных явлений, которые невозможно компенсировать с помощью индикатора движущейся цели.

Средняя частота повторения импульсов

Диапазон и скорость могут быть определены с помощью средней частоты повторения импульсов, но ни один из них не может быть идентифицирован напрямую. Средняя частота повторения импульсов составляет от 3 до 30 кГц, что соответствует дальности действия РЛС от 5 до 50 км. Это неоднозначный диапазон, который намного меньше максимального диапазона. Разрешение неоднозначности дальности используется для определения истинной дальности в радаре со средней частотой повторения импульсов.

Средняя частота повторения импульсов используется с импульсным доплеровским радаром, который требуется для обзора / сбивания в военных системах. Возвращение доплеровского радара обычно не является неоднозначным до тех пор, пока скорость не превысит скорость звука.

Для определения истинного диапазона и скорости требуется метод, называемый разрешением неоднозначности. Доплеровские сигналы находятся в диапазоне от 1,5 кГц до 15 кГц, что является слышимым, поэтому аудиосигналы от радиолокационных систем со средней частотой повторения импульсов могут использоваться для пассивной классификации целей.

Например, радиолокационная система диапазона L, использующая частоту повторения импульсов 10 кГц с рабочим циклом 3,3%, может определять истинную дальность на расстоянии 450 км (30 * C / 10 000 км. / с). Это инструментальный диапазон . Однозначная скорость составляет 1500 м / с (3300 миль / час).

$450\; км\; =\; C\; 0,033\; \times \; 2\; \times \; 10\; 000\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{450\; км\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{C\}\; \{0,033\; \backslash \; times\; 2\; \backslash \; times\; 10\; 000\}\}\}$

$1500\; м\; /\; с\; =\; 10\; 000\; \times \; C\; 2\; \times \; 10\; 9\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{1,500\; м\; /\; с\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{10\; 000\; \backslash \; times\; C\}\; \{2\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{9\}\}\}\}$

Однозначный Скорость радара L-диапазона, использующего частоту повторения импульсов 10 кГц, составит 1500 м / с (3300 миль / час) (10000 x C / (2 x 10 ^ 9)). Истинная скорость может быть найдена для объектов, движущихся со скоростью менее 45 000 м / с, если полосовой фильтр пропускает сигнал (1,500 / 0,033).

Средняя частота повторения импульсов имеет уникальные проблемы с зубчатостью радара, которые требуют избыточных схем обнаружения.

Высокий PRF

Системы, использующие функцию PRF выше 30 кГц, более известную как радар с прерывистой непрерывной волной (ICW), поскольку прямая скорость может быть измерена до 4,5 км / с в L диапазоне, но разрешение диапазона становится более трудным.

Высокая частота повторения импульсов ограничена системами, требующими работы на близком расстоянии, такими как бесконтактные предохранители и радар правоохранительных органов.

Например, если во время фазы покоя между импульсами передачи отбирается 30 выборок с использованием 30 кГц PRF, то истинный диапазон может быть определен максимум до 150 км с использованием 1 микросекундных выборок (30 x C / 30 000 км / с). Отражатели за пределами этого диапазона могут быть обнаружены, но истинный диапазон не может быть идентифицирован.

$150\; км\; =\; 30\; \times \; C\; 2\; \times \; 30\; 000\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{150\; км\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{30\; \backslash \; times\; C\}\; \{2\; \backslash \; times\; 30\; 000\}\}\}$

$4500\; м\; /\; с\; =\; 30\; 000\; \times \; C\; 2\; \times \; 10\; 9\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{4,500\; м\; /\; с\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{30\; 000\; \backslash \; times\; C\}\; \{2\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{9\}\}\}\}$

Он становится становится все труднее брать несколько выборок между импульсами передачи на этих частотах импульсов, поэтому измерения дальности ограничиваются небольшими расстояниями.

Сонар

Сонарные системы работают во многом как радары, за исключением того, что среда является жидкой или воздух, а частота сигнала - звуковая или ультразвуковая. Как и радар, более низкие частоты распространяют относительно более высокие энергии на большие расстояния с меньшей разрешающей способностью. Более высокие частоты, которые затухают быстрее, обеспечивают повышенное разрешение близлежащих объектов.

Сигналы распространяются со скоростью звука в среде (почти всегда в воде), а максимальная частота повторения импульсов зависит от размера исследуемого объекта. Например, скорость звука в воде составляет 1497 м / с, а толщина человеческого тела составляет около 0,5 м, поэтому PRF для ультразвуковых изображений человеческого тела должна быть меньше примерно 2 кГц (1497 /0,5).

В качестве другого примера глубина океана составляет примерно 2 км, поэтому звук возвращается с морского дна за секунду. По этой причине сонар - очень медленная технология с очень низким PRF.

Лазер

Световые волны могут использоваться в качестве радиолокационных частот, и в этом случае система известна как лидар. Это сокращение от «LIght Detection And Ranging», аналогичное первоначальному значению инициализма «RADAR», которое было RAdio Detection And Ranging. С тех пор оба слова стали широко используемыми английскими словами и поэтому являются скорее сокращениями, чем инициализмами.

Лазерные дальномеры или другие дальномеры светового сигнала работают так же, как радар, на гораздо более высоких частотах. Нелазерное обнаружение света широко используется в автоматизированных системах управления машинами (например, электрические глаза, управляющие воротами гаража, сортировочными воротами конвейера и т. радар - без наворотов человеческого интерфейса.

В отличие от более низких частот радиосигнала, свет не огибает изгиб Земли и не отражается от ионосферы, как сигналы поисковых радаров C-диапазона, поэтому лидар полезен только в прицелы, такие как высокочастотные радарные системы.

• Радар
• Импульсный доплеровский радар
• Метеорологический радар