Моноимпульсный радар — это радарная система, которая использует дополнительное кодирование радиосигнала для предоставления точной информации о направлении. Название относится к ее способности извлекать дальность и направление из одного импульса сигнала.
Моноимпульсный радар позволяет избежать проблем, наблюдаемых в конических сканирующих радарных системах, которые могут быть сбиты с толку быстрыми изменениями силы сигнала . Система также затрудняет глушение . Большинство радаров, разработанных с 1960-х годов, являются моноимпульсными системами. Моноимпульсный метод также используется в пассивных системах, таких как меры электронной поддержки и радиоастрономия . Моноимпульсные радарные системы могут быть построены с рефлекторными антеннами , линзовыми антеннами или антенными решетками .
Исторически моноимпульсные системы классифицировались как моноимпульсные системы сравнения фаз или моноимпульсные системы амплитуды . Современные системы определяют направление по отношению моноимпульсов, которые содержат как амплитудную, так и фазовую информацию. [1] [2] Метод моноимпульса не требует, чтобы измеряемые сигналы были импульсными. Поэтому было предложено альтернативное название «одновременное лепестковое распределение», но оно не получило распространения.
Коническое сканирование не считается разновидностью моноимпульсного радара, но следующее краткое изложение дает общую информацию, которая может помочь в понимании.
Системы конического сканирования посылают сигнал немного в сторону от оси визирования антенны , а затем вращают облучатель, чтобы заставить лепесток вращаться вокруг линии визирования. Цель, центрированная на оси визирования, всегда слегка освещается лепестком и обеспечивает сильный возврат. Если цель находится в одной стороне, она будет освещаться только тогда, когда лепесток направлен в этом общем направлении, что приведет к более слабому сигналу в целом (или мигающему, если вращение достаточно медленное). Этот изменяющийся сигнал достигнет максимума, когда антенна будет повернута так, чтобы она была выровнена в направлении цели.
Находя этот максимум и перемещая антенну в этом направлении, можно автоматически отслеживать цель. Это значительно облегчается использованием двух антенн, слегка наклоненных по обе стороны от линии визирования. Отслеживание может осуществляться путем сравнения сигнала с двух антенн в простой электронике, в отличие от необходимости охотиться за максимальной точкой за период вращения антенны.
Одной из проблем этого подхода является то, что сигналы радара часто меняют амплитуду по причинам, которые не имеют ничего общего с положением луча. Например, за период в несколько десятых секунды изменения направления цели, дождевые облака и другие проблемы могут существенно повлиять на возвращаемый сигнал. Поскольку системы конического сканирования зависят от усиления или ослабления сигнала только из-за положения цели относительно луча, такие изменения в отраженном сигнале могут привести к его «замешательству» относительно положения цели в зоне сканирования луча.
Глушение конического сканера также относительно просто. Глушитель просто должен посылать сигналы на частоте радара с достаточной силой, чтобы заставить его думать, что это был самый сильный ответ. В этом случае серия случайных коротких всплесков сигнала будет казаться серией целей в разных местах в пределах луча. Глушение такого рода может быть сделано более эффективным, если синхронизировать сигналы так, чтобы они были такими же, как скорость вращения подачи, но транслироваться с небольшой задержкой, что приводит к второму сильному пику в пределах луча, и ничто не может отличить их друг от друга. Глушители такого рода были развернуты довольно рано. Британцы использовали их во время Второй мировой войны против немецкого радара конического сканирования Würzburg .
Моноимпульсные радары в целом подобны системам конического сканирования, но разделяют луч на части, а затем посылают два результирующих сигнала из антенны в несколько разных направлениях. При получении отраженных сигналов они усиливаются по отдельности и сравниваются друг с другом, указывая, какое направление имеет более сильный возврат, и, таким образом, общее направление цели относительно оси визирования. Поскольку это сравнение выполняется в течение одного импульса, который обычно составляет несколько микросекунд, изменения в положении цели или направлении не будут иметь никакого влияния на сравнение.
Для такого сравнения необходимо, чтобы разные части луча отличались друг от друга. Обычно это достигается путем разделения импульса на две части и поляризации каждой из них по отдельности перед отправкой его в набор слегка смещенных по оси облучателей. Это приводит к набору лепестков, обычно двух, перекрывающихся на оси прицеливания. Затем эти лепестки поворачиваются, как в обычном коническом сканере. При приеме сигналы снова разделяются, а затем один сигнал инвертируется по мощности, а затем два сигнала суммируются ( на изображении). Если цель находится с одной стороны оси прицеливания, результирующая сумма будет положительной, если с другой — отрицательной.
Если лепестки расположены близко друг к другу, этот сигнал может обеспечить высокую точность наведения в пределах луча, что добавляется к естественной точности конической сканирующей системы. В то время как классические конические сканирующие системы обеспечивают точность наведения порядка 0,1 градуса, моноимпульсные радары обычно улучшают ее в 10 раз, а усовершенствованные радары слежения, такие как AN/FPS-16, имеют точность до 0,006 градуса. Это точность около 10 м на расстоянии 100 км.
Устойчивость к помехам значительно улучшена по сравнению с коническим сканированием. Фильтры могут быть вставлены для удаления любого сигнала, который либо неполяризован, либо поляризован только в одном направлении. Чтобы сбить с толку такую систему, сигнал помех должен был бы дублировать поляризацию сигнала, а также синхронизацию, но поскольку самолет получает только один лепесток, определение точной поляризации сигнала затруднено. Против моноимпульсных систем ECM обычно прибегает к трансляции белого шума , чтобы просто ослепить радар, вместо того, чтобы пытаться производить ложные локализованные возвраты.
Моноимпульсные антенны вырабатывают суммарный сигнал и два дельта-сигнала. Это позволяет выполнять угловые измерения с использованием одного приемного импульса. Суммарный сигнал обычно проходит обратно по волноводу, используемому для отправки передаваемого импульса. Два дельта-сигнала — это возвышение (вверх-вниз) и траверс (влево-вправо). [3]
Суммарный сигнал соответствует антенному лучу вдоль центральной линии антенны. Дельта-сигналы — это пары лучей, которые примыкают к центральной линии суммарного антенного луча. Измерения дельта-луча дают положительные или отрицательные значения в зависимости от квадранта.
Суммарный сигнал создается структурой облучателя , расположенной для максимизации сигнала в центре антенного луча. Дельта-РЧ-сигналы создаются парами антенных облучателей, расположенных рядом с суммарным облучателем (суммарный облучатель на рисунке не показан). Выход каждой пары дельта-облучателей суммируется, и это создает нулевой выходной сигнал, когда входящий РЧ-сигнал находится в центре антенного луча. Сила сигнала от каждого дельта-луча увеличивается по мере того, как самолет удаляется от центральной линии антенны.
Для показанного волноводного изображения горизонтально поляризованный радиочастотный сигнал поступает на два облучателя для создания левого/правого дельта-сигнала. Поступающая энергия от волнового фронта радиочастот запускается в оба облучателя волновода. Радиочастотный сигнал от обоих облучателей перемещается вверх по волноводу, где сигналы от левого и правого облучателей объединяются. Объединитель выполняет математическое вычитание электрических сигналов, поступающих от облучателей. Это вычитание создает дельта-сигнал. Подобная конфигурация облучателя используется для создания дельта-сигнала вверх/вниз (не показано). Сборка волновода может использоваться сама по себе. Для антенны с высоким коэффициентом усиления сборка облучателя располагается лицом к отражающей поверхности в фокальной точке или вблизи нее.
Для показанного изображения волновода суммарный сигнал будет создан одним волноводным рупорным облучателем, расположенным по центру между двумя показанными рупорными облучателями.
Сумма и дельта радиочастотные сигналы преобразуются в более низкую частоту в приемнике , где происходит выборка. Сигнальный процессор вырабатывает сигнал ошибки, используя эти выборки.
Значение + или − для каждого дельта-сигнала создается сдвигом фазы на 0 градусов или 180 градусов по сравнению с сигналом суммы. Калибровочный сигнал вводится в приемный тракт, когда радар находится в режиме ожидания, и это устанавливает известный сдвиг фазы между различными путями микроволнового сигнала (режим покоя).
Угловая ошибка создается из дельта-сигнала путем выполнения комплексного отношения. Это делается для левого/правого дельта-лучей, а также для дельта-лучей вверх/вниз (два отношения). Объяснение того, как действительные и мнимые части используются в RADAR, можно найти в описании импульсного Доплера .
Результатом является число со знаком . Результатом процесса калибровки является поворот вектора ошибки комплексного угла антенны на действительную ось для уменьшения потерь при обработке сигнала.
Угловая ошибка используется для корректировки положения цели вдоль центральной линии антенны. В радиолокационной станции с механическим управлением вертикальная угловая ошибка приводит в действие двигатель, который перемещает антенну вверх или вниз, а горизонтальная угловая ошибка приводит в действие двигатель, который поворачивает антенну влево или вправо. В ракете угловая ошибка является входом для системы наведения, которая позиционирует направляющие стабилизаторы, которые вращают корпус ракеты таким образом, чтобы цель находилась на центральной линии антенны.
Колесо, зеркало и свет можно использовать для визуализации реального и воображаемого, описанного в этом уравнении. Зеркало располагается под углом 45 градусов над колесом, так что вы можете видеть переднюю и верхнюю часть колеса одновременно. Светильник прикреплен к колесу, так что вы можете видеть колесо, когда свет в комнате выключен. Вы сидите прямо перед колесом, пока ваш друг вращает колесо. Вид передней части колеса (реальной) и верхней части колеса (воображаемой) подскажет вам положение колеса.
Пары действительных и мнимых значений образуют комплексное число, описываемое как действительная и мнимая части .
Динамическая калибровка необходима, когда между антенной и первым понижающим преобразователем имеются длинные волноводные трассы (см. Супергетеродинный приемник ). Это компенсирует изменения температуры, которые изменяют размер и длину волновода, что приведет к изменениям фазы, которые создают неправильные сигналы угловой ошибки для длинных волноводных трасс. Показатель Cal создается путем введения калибровочного сигнала в приемный волновод, когда система не активна (сумма и дельта). Угловая ошибка калибровочного сигнала используется для оценки угловой ошибки во время нормальной работы. Настройка антенны используется для внесения корректировок, которые создают желаемый сигнал ошибки, когда антенна калибруется на антенном диапазоне.
Если длина волновода между антенной и приемником короткая, сигнал калибровки можно опустить, а калибровочный термин можно установить на фиксированное значение. Фиксированное значение также может быть сохранено для систем с длинными волноводными участками, чтобы обеспечить ухудшенную работу, когда невозможно выполнить калибровку ВЧ. Может потребоваться настройка волноводного узла с использованием диапазона антенны для получения согласованных результатов.
Четырехквадрантная антенная решетка состоит из четырех подрешеток. Подрешетки разделены расстоянием d . Угол θ (по углу места или азимуту) оценивается по отношению моноимпульсов, которое является отношением разностного сигнала к суммарному сигналу. Уравнение оценки имеет вид:
Вывод более общей формы этого уравнения представлен в [2] .
Системы слежения выдают постоянную информацию о местоположении самолета, и положение антенны является частью этой информации. Сигналы об ошибках антенны используются для создания обратной связи как части системы RADAR, которая может отслеживать самолеты.
Горизонтальный сигнал и вертикальный сигнал, созданные из выборок антенных радиочастот, называются угловыми ошибками. Эти сигналы угловых ошибок указывают угловое расстояние между центром антенного луча и положением самолета в пределах антенного луча.
Для механически управляемой антенны горизонтальный сигнал и вертикальный сигнал используются для создания сигнала привода, который создает крутящий момент для двух двигателей позиционирования антенны. Один двигатель перемещает антенну влево/вправо. Другой двигатель перемещает антенну вверх/вниз. Результатом является перемещение положения антенны таким образом, чтобы центр луча антенны оставался направленным прямо на самолет, даже когда самолет движется перпендикулярно лучу антенны.
Для радара отслеживания во время сканирования положение и скорость поддерживаются для нескольких самолетов. Последнее положение самолета определяется по инерции с использованием скорости, и эта информация используется для направления луча энергии в сторону самолета. Полученная информация об ошибке угла моноимпульса используется для корректировки данных о положении и скорости самолета. Это обычный режим для систем радаров с фазированной решеткой .
Амплитудно-сравнительный моноимпульс дает объяснение сигналам антенны, участвующим в этом процессе.
Эффект Доплера может использоваться для разделения различных объектов на основе скорости. Обработка сигнала импульсного доплеровского радара использует эту технику. Это сочетается с коническим сканированием или моноимпульсом для повышения надежности отслеживания. Необходимо отделить сигнал объекта от помех, чтобы избежать увода от объекта. Это позволяет избежать проблем, когда система обманывается самолетом, летящим слишком близко к поверхности земли или самолетом, летящим сквозь облака.
Конические сканирующие и моноимпульсные антенны восприимчивы к помехам от погодных явлений и неподвижных объектов. Результирующие помехи могут создавать сигналы обратной связи, которые перемещают луч антенны в сторону от самолета. Это может привести к ненадежному положению антенны, когда антенна направлена слишком близко к земле или слишком близко к непогоде. Системы без режима отслеживания импульсного доплера могут оставаться направленными на нерелевантные объекты, такие как деревья или облака. Требуется постоянное внимание оператора, когда нет обработки доплеровского сигнала.
Моноимпульсный радар был чрезвычайно «высокотехнологичным», когда он был впервые представлен Робертом М. Пейджем в 1943 году в ходе эксперимента в Военно-морской исследовательской лаборатории . В результате он был очень дорогим, трудоемким из-за сложности и менее надежным. Он использовался только тогда, когда требовалась чрезвычайная точность, оправдывающая стоимость. Ранние применения включали ракету Nike Ajax , которая требовала очень высокой точности, или для радаров сопровождения, используемых для измерения различных запусков ракет . Первой в мире бортовой моноимпульсной радиолокационной системой была система AIRPASS , разработанная британской компанией Ferranti , которая поступила на вооружение в 1960 году на самолете-перехватчике English Electric Lightning Королевских ВВС. Ранней разработкой моноимпульсного радара в 1958 году стал AN/FPS-16 , над которым сотрудничали NRL и RCA. Самая ранняя версия, XN-1, использовала металлическую пластинчатую линзу. Вторая версия XN-2 использовала обычную параболическую антенну диаметром 3,65 метра [12 футов], и была версией, которая пошла в производство. Эти радары сыграли важную роль в миссиях Mercury, Gemini и ранних Apollo, будучи развернутыми на Бермудских островах, в Таннариву и Австралии, среди прочих мест для этой цели. Модификация IRACQ [Increased Range ACQuisition] была установлена на некоторых из этих установок; определенно та, что находилась в Вумере, Австралия, была модифицирована таким образом. Одна из самых крупных установок впервые появилась в 1970-х годах как радар AN/SPY-1 ВМС США , используемый в боевой системе Aegis , и радар MK-74, используемый в системе управления огнем управляемых ракет Tartar и исследованиях. [4] Стоимость и сложность внедрения моноимпульсного слежения были снижены, а надежность повышена, когда цифровая обработка сигнала стала доступна после 1970-х годов. Эта технология используется в большинстве современных радаров слежения и многих типах одноразовых боеприпасов, таких как ракеты.
