Войти
A радиолокационная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал, отраженный от цель для определения информации об этой цели. В любой системе радар передаваемый и принимаемый сигнал будет обладать многими характеристиками, описанными ниже.
На приведенной ниже диаграмме показаны характеристики передаваемого сигнала во временной области. Обратите внимание, что на этой и всех диаграммах в этой статье ось x преувеличена, чтобы пояснение было более ясным.
Несущая - это сигнал RF, обычно микроволновых частот, который обычно (но не всегда) модулируется, чтобы позволить системе захватывать Необходимые данные. В радарах с простым измерением дальности несущая будет модулирована импульсами, а в системах непрерывного излучения, 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 должна быть достаточно длинной, чтобы радар излучал достаточно энергии, чтобы отраженный импульс мог обнаруживаться 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 различение 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 за микросекунду).
Ширина импульса также определяет мертвую зону радара на близких дистанциях. Пока радиолокационный передатчик активен, вход приемника заглушен, чтобы избежать перегрузки (насыщения) усилителей или (что более вероятно) повреждения. Простой расчет показывает, что радиолокационному эхо-сигналу потребуется приблизительно 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, необходимо идти на компромиссы в конструкции радиолокационной системы, чтобы обеспечить оптимальные характеристики для ее роли.
Чтобы создать различимое эхо, большинство радарных систем излучают импульсы непрерывно, и частота повторения этих импульсов определяется ролью системы. Таким образом, эхо-сигнал от цели будет «нарисован» на дисплее или интегрирован в сигнальный процессор 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 тщательно взвесить; характеристики ширины луча антенны и требуемую периодичность, с которой радар должен сканировать 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.
Сдвиг PRF - это процесс передачи, при котором время между запросами от радара слегка изменяется, повторяющимся образом и легко различимым образом. Изменение частоты повторения позволяет радару на основе от импульса к импульсу различать отраженные сигналы от его собственных передач и отражения от других радиолокационных систем с такой же PRF 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 «помеховые» 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 смещенной частоте повторения импульсов 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.
Помехи относятся к радиочастотным (RF) эхо-сигналам, возвращаемым от целей, которые не интересны операторам радаров. 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, метеорные следы и спайк трехчастичного рассеяния. Беспорядок также может создаваться искусственными объектами, такими как здания, и, намеренно, радиолокационными средствами противодействия, такими как chaff.
Некоторый беспорядок также может быть вызван длинным радаром волноводом между радиолокационным приемопередатчиком. и антенна. В типичном радаре с указателем положения (PPI) с вращающейся антенной это обычно будет видно как «солнце» или «солнечные лучи» в центре дисплея, когда приемник реагирует на эхо-сигналы от частиц пыли. и ошибочно направленная RF 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 обычно статичен; при последующих отсканированных эхосигналах желаемые цели будут казаться движущимися, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Загромождение от моря можно уменьшить с помощью горизонтальной поляризации, а от дождя - с помощью круговой поляризации (обратите внимание, что метеорологические радары желают обратного эффекта, и поэтому для обнаружения осадков используют линейную поляризацию ). Другие методы пытаются увеличить отношение сигнала к помехам.
Беспорядок движется по ветру или неподвижен. Двумя общими стратегиями для улучшения измерения или производительности в среде препятствий являются:
Наиболее эффективным методом уменьшения помех является импульсный доплеровский радар с возможностью обзора / сбивания. Доплеровский режим отделяет помехи от самолетов и космических аппаратов с использованием частотного спектра , поэтому отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в одном объеме, с использованием разницы скоростей. Для этого требуется когерентный передатчик. В другом методе используется индикация 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 амплитуды импульсов во временной области.
Постоянная частота ложных тревог, форма автоматической регулировки усиления (AGC), это метод, который полагается на возвращаемые помехи, намного превосходящие по количеству эхо 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.
Многолучевое распространение радара эхосигналы от цели вызывают появление призраков. Помехи также могут возникать из-за многолучевых эхо-сигналов от действительных целей, вызванных отражением от земли, атмосферным воздуховодом или ионосферное отражение / преломление (например, аномальное распространение ). Этот тип беспорядка особенно неприятен, поскольку кажется, что он движется и ведет себя как 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 неверной 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, по-видимому, 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.
STC используется, чтобы избежать насыщения приемника из-за наземных помех путем регулировки затухания приемника в зависимости от расстояния. К близким возвратам применяется большее ослабление, которое уменьшается по мере увеличения диапазона.
В простых системах эхо-сигналы от целей должны обнаруживаться и обрабатываться до генерации следующего импульса передатчика, чтобы избежать неоднозначности диапазона. 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 удаленной на 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 задается следующим образом:
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 более плохую окраску цели и неоднозначность скорости в системах Импульсно-Доплеровский (см. ниже).
Современные радары, особенно боевые радары класса "воздух-воздух" в военных самолетах, могут использовать PRF в диапазоне от десятков до сотен килогерц и смещать интервалы между импульсами, чтобы определить правильную дальность. При этой форме ступенчатой 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 (зависящая от скорости модификация видимой радиочастоты.), 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.
В самом упрощенном виде MUR (Максимальный однозначный диапазон) для последовательности 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 ступенчатой последовательности, обычно в микросекундах. Однако в ступенчатой последовательности некоторые интервалы могут повторяться несколько раз; когда это происходит, более целесообразно рассматривать TSP как добавление всех уникальных интервалов в последовательности.
Также 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 измеренный диапазон может быть очень большим. 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.
Чистые радиолокаторы CW отображаются в виде одной линии на экране анализатора спектра, а при модуляции другими синусоидальными сигналами спектр мало отличается от схемы, полученной с помощью стандартных схем аналоговой модуляции, используемых в системах связи, таких как частотная модуляция, и которые состоят 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.
Базовый частотный спектр передачи радара Базовый анализ Фурье показывает, что любой повторяющийся комплексный 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 для расчета всех частот в спектре можно использовать математический анализ. 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. Огибающая лепестков грубой структуры определяется как: 
Обратите внимание, что импульс width (
Тонкий спектр частот передачи радара Более детальное изучение спектральной характеристики, как показано справа, показывает, что тонкая структура содержит отдельные линии или точечные частоты. Формула для тонкой структуры задается следующим образом: 
Если время нарастания и спада импульсов модуляции равно 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 волновод, сканер и т. д., но производительность может быть нерегулярной, нежелательные сигналы пробиваются на удаленных частотах, а края восстановленного импульса не определены. 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. уменьшение.
Частотный спектр передачи радара трапециевидного профиля импульса Последние достижения в технологиях 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 с сжатием импульсов, может быть реализован хороший компромисс между эффективностью, характеристиками и разрешением по дальности. На диаграмме слева показано влияние на спектр трапециевидного профиля импульса. Видно, что энергия в боковых полосах значительно снижена по сравнению с основным лепестком, а амплитуда главного лепестка увеличена.
Частотный спектр передачи радара профиля косинусоидального импульса Аналогичным образом использование профиля косинусного 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.
Доплеровский спектр. Умышленно не указаны единицы (но, например, это могут быть дБн и МГц). Это проблема только для определенного типа системы; импульсный доплеровский радар, который использует эффект Доплера для определения скорости из видимого изменения частоты, вызванного целями, имеющими чистую лучевую скорость по сравнению с радаром. 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 закрытием цели 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 наложенными следующей боковой полосой модулированной несущей. Передача нескольких импульсных пакетов с разными значениями PRF, например ступенчатые PRF разрешат эту неоднозначность, так как каждое новое значение PRF приведет к новому положению боковой полосы, раскрывая скорость для приемника. Максимальная однозначная скорость цели определяется выражением:
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 передаваемый импульс будет содержать около 3000 циклов несущей, а значения неоднозначности скорости и диапазона для такой системы будут:
| PRF | неоднозначность скорости | неоднозначность диапазона |
|---|---|---|
| низкая (2 кГц) | 50 м / с | 75 км |
| Средняя (12 кГц) | 300 м / с | 12,5 км |
| Высокая ( 200 кГц) | 5000 м / с | 750 м |
