Радарная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал, отраженный от цели, для определения информации об этой цели. В любой радарной системе передаваемый и принимаемый сигнал будет демонстрировать многие из характеристик, описанных ниже.
На диаграмме ниже показаны характеристики передаваемого сигнала во временной области. Обратите внимание, что в этой и во всех диаграммах в этой статье ось x преувеличена, чтобы сделать объяснение более понятным.
Несущая представляет собой радиочастотный сигнал, как правило, микроволновых частот, который обычно (но не всегда) модулируется , чтобы позволить системе захватывать требуемые данные. В простых дальномерных радарах несущая будет импульсно модулированной, а в системах непрерывной волны , таких как доплеровский радар , модуляция может не потребоваться. Большинство систем используют импульсную модуляцию с другими дополнительными модулирующими сигналами или без них. Обратите внимание, что при импульсной модуляции несущая просто включается и выключается синхронно с импульсами; модулирующая форма волны фактически не существует в передаваемом сигнале, а огибающая импульсной формы волны извлекается из демодулированной несущей в приемнике. Хотя это очевидно при описании, этот момент часто упускается при первом изучении импульсных передач, что приводит к недопониманию природы сигнала.
Ширина импульса ( ) (или длительность импульса) передаваемого сигнала — это время, обычно в микросекундах, в течение которого длится каждый импульс. Если импульс не является идеальной прямоугольной волной , время обычно измеряется между 50%-ными уровнями мощности восходящего и нисходящего фронтов импульса.
Ширина импульса должна быть достаточно большой, чтобы радар излучал достаточно энергии, чтобы отраженный импульс мог быть обнаружен его приемником. Количество энергии, которое может быть доставлено удаленной цели, является произведением двух вещей: пиковой выходной мощности передатчика и длительности передачи. Таким образом, ширина импульса ограничивает максимальную дальность обнаружения цели.
Ширина импульса также ограничивает дискриминацию по дальности, то есть способность радара различать две цели, которые находятся близко друг к другу. На любой дальности, с аналогичными углами азимута и возвышения и с точки зрения радара с немодулированным импульсом, разрешение по дальности приблизительно равно половине длительности импульса, умноженной на скорость света (примерно 300 метров в микросекунду).
Ширина импульса также определяет мертвую зону радара на близких расстояниях. Пока передатчик радара активен, вход приемника заглушен, чтобы избежать переполнения (насыщения) усилителей или, что более вероятно, повреждения. Простой расчет показывает, что эхо-сигналу радара потребуется приблизительно 10,8 мкс, чтобы вернуться от цели, находящейся 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 все дальнейшее обсуждение будет использовать метрические цифры.) Если ширина импульса радара составляет 1 мкс, то не может быть обнаружено целей ближе, чем примерно 150 м, поскольку приемник заглушен.
Все это означает, что конструктор не может просто увеличить ширину импульса, чтобы получить большую дальность, не влияя на другие факторы производительности. Как и со всем остальным в радиолокационной системе, необходимо идти на компромиссы в конструкции радиолокационной системы, чтобы обеспечить оптимальную производительность для ее роли.
Чтобы создать различимое эхо, большинство радиолокационных систем непрерывно излучают импульсы, а частота повторения этих импульсов определяется ролью системы. Поэтому эхо от цели будет «нарисовано» на дисплее или интегрировано в процессор сигнала каждый раз, когда передается новый импульс, усиливая возврат и облегчая обнаружение. Чем выше используемый PRF, тем больше прорисована цель. Однако с более высоким PRF диапазон, который может «видеть» радар, уменьшается. Разработчики радаров пытаются использовать максимально возможную PRF, соизмеримую с другими факторами, которые ее ограничивают, как описано ниже.
Есть еще два аспекта, связанных с PRF, которые разработчик должен очень тщательно взвесить: характеристики ширины луча антенны и требуемая периодичность, с которой радар должен охватить поле зрения. Радар с горизонтальной шириной луча 1°, который осматривает весь горизонт на 360° каждые 2 секунды с PRF 1080 Гц, будет излучать 6 импульсов на каждую дугу в 1 градус. Если приемнику требуется не менее 12 отраженных импульсов схожей амплитуды для достижения приемлемой вероятности обнаружения, то у разработчика есть три варианта: удвоить PRF, уменьшить вдвое скорость развертки или удвоить ширину луча. В действительности используются все три варианта в разной степени; конструкция радара — это компромисс между конфликтующими давлениями.
Staggered PRF — это процесс передачи, при котором время между запросами от радара немного изменяется, в шаблонной и легко различимой повторяющейся манере. Изменение частоты повторения позволяет радару, на основе импульса к импульсу, различать возвраты от своих собственных передач и возвраты от других радиолокационных систем с той же PRF и похожей радиочастотой. Рассмотрим радар с постоянным интервалом между импульсами; отражения цели появляются на относительно постоянном расстоянии, связанном со временем полета импульса. В сегодняшнем очень переполненном радиоспектре может быть много других импульсов, обнаруженных приемником, либо непосредственно от передатчика, либо как отражения откуда-то еще. Поскольку их кажущееся «расстояние» определяется путем измерения их времени относительно последнего импульса, переданного «нашим» радаром, эти «глушительные» импульсы могут появляться на любом кажущемся расстоянии. Когда PRF «глушительного» радара очень похожа на «наш» радар, эти кажущиеся расстояния могут очень медленно меняться, как и реальные цели. Используя ступенчатость, разработчик радара может заставить «глушить» хаотично скакать в видимой области, препятствуя интеграции и уменьшая или даже подавляя ее влияние на истинное обнаружение цели.
Без ступенчатой PRF любые импульсы, исходящие от другого радара на той же радиочастоте, могут казаться стабильными во времени и могут быть ошибочно приняты за отражения от собственной передачи радара. С ступенчатой PRF собственные цели радара кажутся стабильными в диапазоне относительно передаваемого импульса, в то время как «глушащие» эхо-сигналы могут перемещаться в видимом диапазоне (некоррелированно), заставляя приемник их отбрасывать. ступенчатость PRF — это лишь один из нескольких подобных методов, используемых для этого, включая джитерированную PRF (где синхронизация импульсов изменяется менее предсказуемым образом), частотно-импульсную модуляцию и несколько других подобных методов, основная цель которых — снизить вероятность непреднамеренной синхронности. Эти методы широко используются в морских радарах безопасности и навигации, которые на сегодняшний день являются самыми многочисленными радарами на планете Земля.
Помехи относятся к радиочастотным (РЧ) эхо-сигналам, возвращаемым от целей, которые неинтересны операторам радаров. К таким целям относятся естественные объекты, такие как земля, море, осадки (такие как дождь, снег или град), песчаные бури , животные (особенно птицы), атмосферная турбулентность и другие атмосферные эффекты, такие как отражения ионосферы , метеорные следы и трехчастичный скачок рассеяния . Помехи также могут возвращаться от искусственных объектов, таких как здания, и, преднамеренно, от мер противодействия радаров, таких как шелуха .
Некоторые помехи также могут быть вызваны длинным радиолокационным волноводом между радиолокационным приемопередатчиком и антенной. В типичном радаре с индикатором положения в плане (PPI) с вращающейся антенной это обычно будет выглядеть как «солнце» или «солнечные лучи» в центре дисплея, поскольку приемник реагирует на эхо от частиц пыли и неверно направленных радиочастот в волноводе. Регулировка времени между моментом, когда передатчик посылает импульс, и моментом, когда каскад приемника включен, как правило, уменьшает солнечные лучи, не влияя на точность диапазона, поскольку большинство солнечных лучей вызвано рассеянным передаваемым импульсом, отраженным до того, как он покинет антенну. Помехи считаются источником пассивных помех, поскольку они появляются только в ответ на радиолокационные сигналы, посылаемые радаром.
Помехи обнаруживаются и нейтрализуются несколькими способами. Помехи имеют тенденцию казаться статическими между сканированиями радара; при последующих эхо-сигналах сканирования желаемые цели будут казаться движущимися, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Помехи от моря можно уменьшить с помощью горизонтальной поляризации, в то время как дождь уменьшается с помощью круговой поляризации (обратите внимание, что метеорологические радары хотят противоположного эффекта и поэтому используют линейную поляризацию для обнаружения осадков). Другие методы пытаются увеличить отношение сигнал/помеха.
Беспорядок перемещается с ветром или неподвижен. Две распространенные стратегии для улучшения измерения или производительности в среде беспорядка:
Наиболее эффективным методом снижения помех является импульсно-доплеровский радар с возможностью Look-down/shootdown . Доплеровский метод отделяет помехи от самолетов и космических аппаратов с помощью частотного спектра, поэтому отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в том же объеме, с помощью разности скоростей. Для этого требуется когерентный передатчик. Другой метод использует индикацию движущейся цели , которая вычитает принимаемый сигнал из двух последовательных импульсов с помощью фазы для снижения сигналов от медленно движущихся объектов. Это можно адаптировать для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, например, для импульсно-амплитудного радара временной области.
Constant False Alarm Rate , форма автоматического управления усилением (AGC), представляет собой метод, который основан на помехах, возвращаемых намного превосходящими по количеству эхо-сигналы от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня общего видимого шума. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники цели. В прошлом радарное AGC управлялось электроникой и влияло на усиление всего радарного приемника. По мере развития радаров AGC стало управляться компьютерным программным обеспечением и влияло на усиление с большей детализацией в определенных ячейках обнаружения.
Помехи также могут возникать из-за многолучевых эхо-сигналов от действительных целей, вызванных отражением от земли, атмосферными воздуховодами или ионосферным отражением / рефракцией (например, аномальное распространение ). Этот тип помех особенно раздражает, поскольку он, по-видимому, движется и ведет себя как другие обычные (точечные) цели, представляющие интерес. В типичном сценарии эхо-сигнал самолета отражается от земли внизу, представляясь приемнику как идентичная цель ниже правильной. Радар может попытаться объединить цели, сообщая о цели на неправильной высоте или устраняя ее на основе дрожания или физической невозможности. Глушение отраженного сигнала от местности использует этот ответ, усиливая сигнал радара и направляя его вниз. [1] Эти проблемы можно преодолеть, включив наземную карту окрестностей радара и устранив все эхо-сигналы, которые, по-видимому, возникают под землей или выше определенной высоты. Моноимпульс можно улучшить, изменив алгоритм возвышения, используемый на низкой высоте. В новейшем радиолокационном оборудовании управления воздушным движением алгоритмы используются для идентификации ложных целей путем сравнения текущих отраженных импульсов с соседними, а также путем расчета невероятности отраженных импульсов.
STC используется для предотвращения насыщения приемника от близкого наземного шума путем регулировки затухания приемника в зависимости от расстояния. Большее затухание применяется к возвратам близко и уменьшается по мере увеличения дальности.
В простых системах эхо-сигналы от целей должны быть обнаружены и обработаны до того, как будет сгенерирован следующий импульс передатчика, если необходимо избежать неоднозначности дальности. Неоднозначность дальности возникает, когда время, необходимое для возврата эха от цели, больше периода повторения импульса (T); если интервал между переданными импульсами составляет 1000 микросекунд, а время возврата импульса от удаленной цели составляет 1200 микросекунд, кажущееся расстояние до цели составляет всего 200 микросекунд. В целом эти «вторые эхо-сигналы» на дисплее кажутся целями, которые находятся 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 близкое (возможно, 15 км). Наземные цели, находящиеся дальше этого диапазона, не могут быть обнаружены, поэтому частота повторения импульсов может быть довольно высокой; радар с частотой повторения импульсов 7,5 кГц будет возвращать неоднозначные эхо-сигналы от целей на расстоянии около 20 км или за горизонтом. Однако если частота повторения импульсов удвоится до 15 кГц, то неоднозначный диапазон уменьшится до 10 км, и цели за пределами этого диапазона появятся на дисплее только после того, как передатчик излучит еще один импульс. Цель на расстоянии 12 км будет казаться находящейся на расстоянии 2 км, хотя сила эха может быть намного ниже, чем от настоящей цели на расстоянии 2 км.
Максимальный однозначный диапазон обратно пропорционален частоте повторения импульсов и определяется по формуле:
где c — скорость света . Если для этой простой системы требуется более длинная однозначная дальность, то требуются более низкие PRF, и для ранних поисковых радаров было обычным иметь PRF всего несколько сотен Гц, что давало однозначную дальность более 150 км. Однако более низкие PRF создают другие проблемы, включая худшую покраску цели и неоднозначность скорости в импульсно-доплеровских системах (см. ниже).
Современные радары, особенно радары воздушного боя в военных самолетах, могут использовать PRF в десятках-сотнях килогерц и разносить интервал между импульсами, чтобы можно было определить правильный диапазон. При такой форме разнесенного PRF пакет импульсов передается с фиксированным интервалом между каждым импульсом, а затем передается другой пакет с немного другим интервалом. Отражения цели появляются на разных расстояниях для каждого пакета ; эти различия накапливаются, а затем простые арифметические методы могут применяться для определения истинного диапазона. Такие радары могут использовать повторяющиеся шаблоны пакетов или более адаптивные пакеты , которые реагируют на видимое поведение цели. Независимо от этого, радары, которые используют эту технику, являются универсально когерентными , с очень стабильной радиочастотой, и пакеты импульсов также могут использоваться для измерения доплеровского сдвига (зависимой от скорости модификации видимой радиочастоты), особенно когда PRF находятся в диапазоне сотен килогерц. Радиолокаторы, использующие эффект Доплера таким образом, обычно сначала определяют относительную скорость с помощью эффекта Доплера, а затем используют другие методы для определения расстояния до цели.
В самом простом смысле MUR (максимальный однозначный диапазон) для последовательности импульсов может быть рассчитан с использованием TSP (полный период последовательности). TSP определяется как общее время, необходимое для повторения импульсного шаблона. Его можно найти путем сложения всех элементов в последовательности импульсов. Формула выводится из скорости света и длины последовательности [ требуется ссылка ] :
где c — скорость света , обычно в метрах в микросекунду, а TSP — это сложение всех позиций последовательности ступеней, обычно в микросекундах. Однако в последовательности ступеней некоторые интервалы могут повторяться несколько раз; когда это происходит, более уместно рассматривать TSP как сложение всех уникальных интервалов в последовательности.
Кроме того, стоит помнить, что могут быть огромные различия между MUR и максимальной дальностью (дальностью, за пределами которой отражения, вероятно, будут слишком слабыми для обнаружения), и что максимальная инструментальная дальность может быть намного короче любой из них. Например, гражданский морской радар может иметь выбираемые пользователем максимальные инструментальные дальности отображения в 72 или 96 или редко 120 морских миль в соответствии с международным правом, но максимальные однозначные дальности более 40 000 морских миль и максимальные дальности обнаружения, возможно, 150 морских миль. Когда отмечаются такие огромные различия, это показывает, что основной целью ступенчатой PRF является уменьшение «глушения», а не увеличение возможностей однозначных дальностей.
Чистые CW-радары отображаются в виде одной линии на дисплее анализатора спектра , а при модуляции другими синусоидальными сигналами спектр мало отличается от спектра, полученного с помощью стандартных аналоговых схем модуляции, используемых в системах связи, таких как частотная модуляция , и состоит из несущей и относительно небольшого числа боковых полос . Когда сигнал радара модулируется последовательностью импульсов , как показано выше, спектр становится намного сложнее и его гораздо труднее визуализировать.
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 и всех нечетных гармоник. Точный состав последовательности импульсов будет зависеть от ширины импульса и частоты повторения импульсов, но математический анализ может быть использован для расчета всех частот в спектре. Когда последовательность импульсов используется для модуляции несущей радара, будет получен типичный спектр, показанный слева.
Изучение этого спектрального отклика показывает, что он содержит две основные структуры. Грубая структура (пики или «лепестки» на диаграмме слева) и тонкая структура, которая содержит отдельные частотные компоненты, как показано ниже. Огибающая лепестков в грубой структуре определяется как: .
Обратите внимание, что ширина импульса ( ) определяет расстояние между лепестками. Меньшая ширина импульса приводит к более широким лепесткам и, следовательно, большей полосе пропускания.
Более детальное изучение спектрального отклика, как показано справа, показывает, что тонкая структура содержит отдельные линии или точечные частоты. Формула для тонкой структуры задается как и поскольку период PRF (T) появляется в нижней части уравнения тонкого спектра, то 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.
Если время нарастания и спада импульсов модуляции равно нулю (например, фронты импульсов бесконечно крутые), то боковые полосы будут такими, как показано на спектральных диаграммах выше. Ширина полосы, 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 несовершенства в цепи передачи означают, что часть этой мощности никогда не достигает антенны. В реальности, конечно, невозможно достичь таких крутых фронтов, поэтому в практических системах боковые полосы содержат гораздо меньше линий, чем идеальная система. Если полосу пропускания можно ограничить, включив относительно небольшое количество боковых полос, намеренно сглаживая фронты импульсов, можно реализовать эффективную систему с минимальным потенциалом помех для близлежащего оборудования. Однако компромиссом является то, что медленные фронты ухудшают разрешение по дальности. Ранние радары ограничивали полосу пропускания с помощью фильтрации в цепи передачи, например, волноводе, сканере и т. д., но производительность могла быть спорадической, с нежелательными сигналами, прорывающимися на удаленных частотах, и фронтами восстановленного импульса, которые были неопределенными. Дальнейшее изучение базового спектра радара, показанного выше, показывает, что информация в различных лепестках грубого спектра идентична той, которая содержится в главном лепестке, поэтому ограничение полосы пропускания передачи и приема в этом диапазоне обеспечивает значительные преимущества с точки зрения эффективности и снижения шума.
Недавние достижения в области методов обработки сигналов сделали использование профилирования или формирования импульсов более распространенным. Формируя огибающую импульса перед его применением к передающему устройству, например, по закону косинуса или трапеции, можно ограничить полосу пропускания в источнике, с меньшей зависимостью от фильтрации. Когда эта техника сочетается с компрессией импульсов , то можно реализовать хороший компромисс между эффективностью, производительностью и разрешением по дальности. Диаграмма слева показывает влияние на спектр, если принят трапециевидный профиль импульса. Можно увидеть, что энергия в боковых полосах значительно уменьшается по сравнению с главным лепестком, а амплитуда главного лепестка увеличивается.
Аналогично, использование косинусоидального импульсного профиля имеет еще более выраженный эффект, при этом амплитуда боковых лепестков становится практически незначительной. Главный лепесток снова увеличивается по амплитуде, а боковые лепестки соответственно уменьшаются, что дает значительное улучшение производительности.
Существует множество других профилей, которые можно использовать для оптимизации производительности системы, но косинусные и трапециевидные профили, как правило, обеспечивают хороший компромисс между эффективностью и разрешением и поэтому используются чаще всего.
Это проблема только определенного типа системы; импульсно-доплеровский радар , который использует эффект Доплера для определения скорости по кажущемуся изменению частоты, вызванному целями, имеющими чистые радиальные скорости по сравнению с радарным устройством. Изучение спектра, генерируемого импульсным передатчиком, показанным выше, показывает, что каждая из боковых полос (как грубая, так и тонкая) будет подвержена эффекту Доплера, еще одна веская причина для ограничения полосы пропускания и спектральной сложности с помощью профилирования импульсов.
Рассмотрим положительный сдвиг, вызванный закрывающейся целью на диаграмме, которая была сильно упрощена для ясности. Видно, что по мере увеличения относительной скорости будет достигнута точка, в которой спектральные линии, составляющие эхо, будут скрыты или наложены следующей боковой полосой модулированной несущей. Передача нескольких импульсных пакетов с различными значениями PRF, например, смещенными PRF, разрешит эту неоднозначность, поскольку каждое новое значение PRF приведет к новому положению боковой полосы, раскрывая скорость приемнику. Максимальная однозначная скорость цели определяется как:
Принимая во внимание все вышеперечисленные характеристики, мы накладываем определенные ограничения на проектировщика радара. 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 циклов несущей, а значения неоднозначности скорости и дальности для такой системы будут следующими:
