www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Urządzenia radiolokacyjne

Radar impulsowy

Pomiar czasu opóźnienia radaru

Rysunek 1: Pomiar czasu opóźnienia radaru

impuls sondujący
sygnał odbity

Rysunek 1: Pomiar czasu opóźnienia radaru

Obraz na tle przezroczystej animacji

Rysunek 1: Pomiar czasu opóźnienia radaru

Radar impulsowy

impuls sondujący
sygnał odbity
τ
Τ

Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе

impuls sondujący
sygnał odbity
τ
Τ

Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе

Radar impulsowy jest urządzeniem radarowym, które emituje krótkie, silne impulsy i odbiera echa pomiędzy nimi (podczas tzw. przerwy spoczynkowej). W przeciwieństwie do radaru o emisji ciągłej, nadajnik radaru impulsowego jest wyłączony do momentu zakończenia pomiaru. Cechą charakterystyczną tej metody jest to, że impulsy sondujące mają bardzo krótki czas trwania (zwykle ich czas trwania wynosi τ ≈ 0,1 … 1 µs). Pomiędzy impulsami sondującymi występują bardzo długie przerwy Τ >> τ, które nazywane są przerwami odbiorczymi (zwykle Т ≈ 1 ms), jak pokazano na rysunku 2. Zasięgi do obiektów odbijających są określane poprzez pomiar czasu opóźnienia echa, jak pokazano na rysunku 1 (dla radarów stacjonarnych) lub poprzez porównanie charakterystycznych zmian w widmie echa dopplerowskiego z wartościami dla określonych zasięgów przechowywanych w bazie danych (dla radarów na szybko poruszających się platformach). Radary impulsowe są zwykle projektowane dla dużych zasięgów i emitują stosunkowo dużą moc impulsu.

Istotną cechą wyróżniającą w stosunku do innych metod radarowych jest konieczność synchronizacji w czasie wszystkich procesów zachodzących w radarze impulsowym. Krawędź wiodąca emitowanego impulsu wyznacza początek punktu odniesienia dla pomiaru opóźnienia sygnału echa. Koniec przedziału opóźnienia to moment, w którym narastające zbocze sygnału echa osiąga swój wierzchołek. Opóźnienia występujące podczas przetwarzania sygnału są systematyczne i muszą być brane pod uwagę przy obliczaniu zasięgu celu. Losowe odchylenia w czasie opóźnienia wpływają na dokładność radaru impulsowego.

Spis treści « Radar impulsowy »
  1. Sygnał sondujący
  2. Sygnał echa (sygnał odbity)
  3. Budowa, schemat blokowy
  4. Zastosowania
Sygnał sondujący

Postać sygnału sondującego można opisać matematycznie następującym wyrażeniem:

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Rysunek 3. Widmo częstotliwościowe sekwencji impulsów prostokątnych w pobliżu częstotliwości nośnej ftx

Rysunek 3. Widmo częstotliwościowe sekwencji impulsów prostokątnych w pobliżu częstotliwości nośnej ftx

Funkcja A(t) opisuje zmianę amplitudy w funkcji czasu t, na przykład modulacja amplitudy. W najprostszym przypadku nadajnik jest włączony na krótki okres czasu (czas trwania τ), a przez resztę czasu pozostaje „wyłączony”. Dlatego A(t) = 1 w czasie emisji impulsu i A(t) = 0 przez resztę czasu. Zależność czasowa jest określona przez częstotliwość powtarzania impulsów i współczynnik wypełnienia. Ponieważ w odpowiedziach radarowych występują różne straty, których nie można dokładnie uwzględnić, rzeczywista modulacja amplitudy nie ma większego sensu, chyba że jako funkcja przełączania (on/off). Obwiednia widma częstotliwości okresowego ciągu impulsów jest opisana przez funkcję w postaci (sin x)/x (rysunek 3), czasami nazywaną sinusoidą łukową. Główna część mocy wypromieniowanej (zwróćmy uwagę na logarytmiczną skalę osi rzędnych) znajduje się w przedziale częstotliwości BHF = 2/τ w pobliżu częstotliwości nośnej sygnału ftx.

Częstotliwość powtarzania impulsów fPRF, czas trwania impulsu sondującego τ i czas trwania przerwy w odbiorze (Τ − τ) określają wskaźniki jakości radaru, takie jak minimalny zasięg (impuls sondujący musi całkowicie opuścić antenę) i maksymalny jednoznacznie mierzalny zasięg (sygnał echa musi zostać odebrany przed wyemitowaniem kolejnego impulsu sondującego). Czas trwania impulsu sondującego τ decyduje głównie o rozdzielczości zasięgowej ΔR radaru impulsowego, która opisana jest wyrażeniem:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Im krótszy jest sygnał sondujący, tym bliżej siebie mogą znajdować się dwa reflektory, które mimo to będą wykrywane jako dwa oddzielne obiekty, a nie jako jeden rozciągnięty obiekt. Szerokość widma BHF sygnału sondującego wzrasta wraz ze zmniejszaniem się czasu trwania impulsu:

BHF = τ−1 (3)

W przypadku prostej modulacji impulsowej, zmniejszenie czasu trwania impulsu ogranicza maksymalny zasięg radaru. W tych warunkach, energia sygnału sondującego Ep może być zwiększona jedynie przez moc impulsu PS przy danej rozdzielczości zakresu. Dla maksymalnego zasięgu czynnikiem decydującym jest energia impulsu, a nie moc impulsu:

Ep = Ps· τ = Pav· Τ = Pav gdzie Ep = energia impulsu;
PS = moc emitowanego impulsu;
Pav = średnia moc (w okresie próbkowania).
(4)
fPRF

Znaczącą poprawę tej sytuacji można osiągnąć poprzez wewnętrzną modulację impulsu sondującego (modulacja wewnątrzimpulsowa). Stosunek między czasem trwania impulsu sondującego a czasem trwania impulsu na wyjściu odbiornika jest określany przez kompresję impulsu w odbiorniku. Pomiar współrzędnych kilku reflektorów, w tym określenie zasięgu do każdego z nich, może być wykonany w czasie trwania impulsu sondującego.

Funkcja φ(t) w wyrażeniu (1) opisuje przesunięcie fazowe całego sygnału. Radar, w którym faza początkowa sygnału sondującego jest znana lub może być obliczona, jest nazywany w pełni koherentnym. Jeżeli znana jest aktualna wartość fazy, ale nie jest znana jej wartość początkowa, radar zaliczany jest do jednego z typów radarów pseudokoherentnych. Jeśli faza początkowa jest całkowicie nieznana (zmienia się chaotycznie), radar jest niespójny. Funkcja φ(t) staje się istotna dla przypadków modulacji wewnątrzimpulsowej z kodowaniem fazy.

Sygnał echa (sygnał odbity)

Zwykle przyjmuje się, że czas trwania impulsu sondującego i czas trwania odbitego sygnału echa są równe. Dlatego w obliczeniach, w których chodzi o moc emitowanego i moc odbieranego sygnału (co ma miejsce w podstawowym równaniu radiolokacji), czasy trwania tych sygnałów można pominąć.

W rezultacie sygnał echa podlega tak wielu wpływom, że jego kształt jest traktowany jako nieznany. Niemniej jednak, optymalne dopasowane odbiorniki lub dopasowane filtry są tworzone poprzez wykorzystanie wielu równoległych kanałów, które uwzględniają możliwe zniekształcenia sygnału. Urządzenia te zapewniają najwyższy możliwy stosunek sygnału do szumu + zakłóceń (w źródłach angielskich: Signal to Noise Plus Interference Ratio, SNIR). Z ich wyjścia wychodzi sygnał do dalszego przetwarzania. W tym przypadku zapamiętywany jest moment (położenie na osi czasu) maksymalnego przekroczenia szumu przez sygnał jako ważny parametr identyfikujący ten sygnał wśród sygnałów odbieranych od innych celów.

Ogólnie rzecz biorąc, szerokość pasma odbiornika jest wybierana tak wąsko, jak to tylko możliwe, aby zmniejszyć poziom niepożądanych szumów i zakłóceń oscylacji odbieranych. W przypadku prostego impulsu radiowego, szerokość pasma odbiornika jest określona przez stosunek BHF = 1/τ. Wpływ szumów może być również zredukowany poprzez akumulację impulsów w odbiorniku. Oznacza to sumowanie odebranych impulsów w kilku okresach pomiarowych. Zakłada się, że podczas okresu akumulacji (kilka okresów sondowania) cel pozostaje nieruchomy, tzn. opóźnienie pomiędzy impulsami będzie stałe i w każdym kolejnym okresie sygnał echa będzie znajdował się w tym samym miejscu na osi czasu. Szum ma losowy rozkład amplitud i będzie dodawany z losowymi fazami. Dlatego wynik jego sumowania zawsze będzie mniejszy od sumy skumulowanych ech. W ten sposób stosunek sygnału do szumu ulega poprawie dzięki zastosowaniu akumulacji.

Budowa, schemat blokowy
Synchronizator
Modulator
Nadajnik
Antena przełącznik
Antena
Odbiornik
Wskaźnik

Rysunek 4: Schemat blokowy monostatycznego radaru impulsowego

Synchronizator Modulator Nadajnik Антенный переключатель Antena Odbiornik Wskaźnik ACPs ACPs

Rysunek 4: Schemat blokowy monostatycznego radaru impulsowego (интерактивный рисунок)

Konstrukcja radaru impulsowego zależy od tego, czy nadajnik i odbiornik znajdują się w tym samym miejscu (radar kombinowany, monostatyczny), czy też oba te elementy umieszczone są w zupełnie różnych miejscach (radar wielopozycyjny, bistatyczny).

Kombinowany radar impulsowy, oprócz swojej kompaktowej budowy, ma tę zaletę, że ważne urządzenia pomiarowe dla radaru impulsowego mogą być skoncentrowane w centralnej jednostce synchronizacyjnej. Dzięki temu opóźnienia wewnętrzne na urządzeniach przełączających mogą być niewielkie. Skomplikowana i kosztowna antena radarowa, dzięki zastosowaniu przełącznika antenowego, może być wykorzystywana zarówno do nadawania, jak i odbioru sygnałów.

Wadą tego rozwiązania jest konieczność wyłączenia bardzo czułego odbiornika przełącznikiem antenowym na czas promieniowania sygnału dźwiękowego, aby uniknąć jego uszkodzenia pod wpływem dużej mocy nadajnika. W tym czasie odbiór sygnału nie jest możliwy.

Opis bloków na schemacie blokowym:

W bistatycznym radarze impulsowym, odbiornik posiada własną antenę w pewnej odległości od nadajnika. Ma to tę zaletę, że nie są potrzebne żadne skomplikowane środki do ochrony odbiornika przed wysoką mocą nadajnika. W najprostszym przypadku sieć jest budowana poprzez rozbudowę istniejącego radaru monostatycznego o nowe odbiorniki. Przykład: radar meteorologiczny Poldirad w Oberpfaffenhofen, Niemcy (niedaleko Monachium). Anteny odbiorcze nie są dookólne: muszą zapewniać odbiór z kilku kierunków jednocześnie. Wadą tego rozwiązania jest bardzo skomplikowana synchronizacja. Równocześnie z sygnałami echa, odbiornik musi odbierać bezpośredni sygnał z nadajnika. Na podstawie tego sygnału i znanej odległości do nadajnika można wygenerować sygnał synchronizacji. Głównym zastosowaniem schematu bistatycznego w aplikacjach wojskowych są radary typu over-the-horizon.

Radary pasywne są rodzajem radarów bistatycznych. Wykorzystują one różne emisje o wysokiej częstotliwości (nadawanie radiowe lub telewizyjne, radary impulsowe). W radarach pasywnych pozycja celu jest obliczana na podstawie różnicy między czasem dotarcia sygnału bezpośredniego a dodatkowym czasem opóźnienia sygnału odbitego. Niejednoznaczność pomiaru jest eliminowana przez bezpośrednie określenie kierunku do celu na podstawie jego emisji padającej lub przez synchronizację dwóch pasywnych radarów znajdujących się w różnych miejscach.

Zastosowania

Radary impulsowe są przeznaczone przede wszystkim do zwalczania celów znajdujących się na dużych odległościach. Ich głównym zastosowaniem jest nadal dziedzina wojskowa. Inne zastosowania to kontrola ruchu lotniczego, obserwacja pogody (zwłaszcza opadów) oraz satelitarne teledetekcje Ziemi.