Радиолокационная техника

Радиолокационная инженерия — это проектирование технических аспектов, относящихся к компонентам радара и их способности обнаруживать отраженную энергию от движущихся рассеивателей — определяя положение объекта или препятствие в окружающей среде. ^[1]^[2]^[3] Сюда входит поле зрения в терминах телесного угла и максимального однозначного диапазона и скорости, а также угловое, дальность и разрешение по скорости. Радарные датчики классифицируются по применению, архитектуре, режиму радара, платформе и окну распространения.

Области применения радаров включают адаптивный круиз-контроль , автономное управление посадкой, радиолокационный высотомер , управление воздушным движением , радар раннего оповещения , радар управления огнем , передовое предупреждение о столкновении , георадар , наблюдение и прогнозирование погоды .

Выбор архитектуры

Угол цели определяется путем сканирования поля зрения высоконаправленным лучом. Это делается электронным способом с помощью фазированной антенной решетки или механически путем вращения физической антенны . Излучатель и приемник могут находиться в одном месте, как в моностатических радарах , или быть разделенными, как в бистатических радарах . Наконец, излучаемая радиолокационная волна может быть непрерывной или импульсной. Выбор архитектуры зависит от используемых датчиков.

Сканирующая антенна

**Рис. 1** : Пассивная электронно-сканирующая решетка с моноимпульсной сетью питания.

Электронно-сканируемая решетка (ESA) или фазированная решетка предлагает преимущества по сравнению с механически сканируемыми антеннами, такими как мгновенное сканирование луча, наличие нескольких параллельных гибких лучей и одновременно работающих режимов радара. Показатели качества ESA - это полоса пропускания , эффективная изотропно излучаемая мощность (EIRP) и отношение G _R /T, поле зрения. EIRP - это произведение усиления передачи, G _T , и мощности передачи, P _T . G _R /T - это отношение усиления приема и шумовой температуры антенны. Высокие EIRP и G _R /T являются предпосылкой для обнаружения на большом расстоянии. Выбор конструкции:

Активный против пассивного : В активной электронно-сканируемой решетке (AESA) каждая антенна подключена к модулю T/R с твердотельным усилением мощности (SSPA). AESA имеет распределенное усиление мощности и обеспечивает высокую производительность и надежность, но является дорогостоящим. В пассивной электронно-сканируемой решетке решетка подключена к одному модулю T/R с вакуумными электронными устройствами (VED). PESA имеет централизованное усиление мощности и обеспечивает экономию средств, но требует фазовращателей с малыми потерями.
Апертура : Апертура антенны радиолокационного датчика является реальной или синтетической. Радиолокационные датчики с реальным лучом позволяют обнаруживать цели в реальном времени. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (SAR) позволяют получить угловое разрешение за пределами реальной ширины луча, перемещая апертуру над целью и когерентно добавляя эхо-сигналы.
Архитектура : Поле зрения сканируется с помощью высоконаправленных частотно-ортогональных (щелевой волновод), пространственно-ортогональных (коммутируемые сети формирования луча) или ортогональных по времени лучей. ^[4]^[5]^[6] В случае сканирования по времени луч ESA сканируется предпочтительно с применением прогрессивной задержки по времени, постоянной по частоте, вместо применения прогрессивного сдвига фазы, постоянного по частоте. Использование фазовращателей с истинной задержкой по времени (TTD) позволяет избежать косоглазия луча с частотой. Угол сканирования, , выражается как функция прогрессии сдвига фазы, , которая является функцией частоты и прогрессивной задержки по времени, , которая инвариантна с частотой: $\Дельта \тау$ $\тета$ $\бета$ $\Дельта \тау$

k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau

\theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}

Обратите внимание, что это не функция частоты. Постоянный сдвиг фазы по частоте также имеет важные приложения, хотя и в синтезе широкополосных шаблонов. Например, генерация широкополосных моноимпульсных приемных шаблонов зависит от питающей сети, которая объединяет две подрешетки с помощью широкополосного гибридного ответвителя . $\тета$ $\Сигма /\Дельта$

Формирование луча : луч формируется в цифровой (цифровое формирование луча (DBF)), промежуточной частоте (ПЧ), оптической или радиочастотной (РЧ) области.
Конструкция : Электронно-сканируемый массив — это конструкция из кирпича, палки, плитки или лотка. Кирпич и лоток относится к подходу к конструкции, при котором РЧ-схема интегрирована перпендикулярно плоскости массива. Плитка, с другой стороны, относится к подходу к конструкции, при котором РЧ-схема интегрирована на подложках параллельно плоскости массива. Палка относится к подходу к конструкции, при котором РЧ-схема подключена к линейному массиву в плоскости массива.
Сеть подачи : Сеть подачи ограничена (корпоративная, серийная) или имеет космическую подачу.
Сетка : Сетка бывает периодической (прямоугольной, треугольной) или апериодической (редкой).
Поляризация (антенна) : Поляризация наземных радарных датчиков вертикальная, чтобы уменьшить многолучевое распространение ( угол Брюстера ). Радарные датчики также могут быть поляриметрическими для всепогодных применений.

FMCW против импульсного допплера

Дальность и скорость цели определяются с помощью измерения задержки импульса и эффекта Доплера ( импульсно-Доплеровский ) или с помощью измерения частоты модуляции (ЧМ) и дифференциации дальности. Разрешение по дальности ограничено мгновенной полосой пропускания сигнала радиолокационного датчика как в импульсно-Доплеровских, так и в частотно-модулированных непрерывных радиолокационных датчиках ( FMCW ). Моностатические моноимпульсно - Доплеровские радиолокационные датчики обладают преимуществами по сравнению с радиолокационными датчиками FMCW, такими как:

Полудуплекс : датчики импульсно-доплеровского радара являются полудуплексными, в то время как датчики FMCW-радара являются полнодуплексными. Таким образом, импульсно-доплеровский радар обеспечивает более высокую изоляцию между передатчиком и приемником, значительно увеличивая динамический диапазон приемника (DR) и дальность обнаружения. Кроме того, антенна или решетка могут быть разделены по времени между передатчиком и приемником модуля T/R, тогда как радары FMCW требуют двух антенн или решеток, одной для передачи и одной для приема. Недостатком полудуплексной работы является наличие слепой зоны в непосредственной близости от датчика радара. Датчики импульсно-доплеровского радара, таким образом, больше подходят для обнаружения на большом расстоянии, в то время как датчики FMCW-радара больше подходят для обнаружения на небольшом расстоянии.
Моноимпульс : Моноимпульсная питающая сеть, показанная на рис. 2, увеличивает угловую точность до доли ширины луча путем сравнения эхо-сигналов, которые возникают из одного излученного импульса и принимаются в двух или более параллельных и пространственно ортогональных лучах.
Сжатие импульса : Сжатие импульса изменяет соотношение ширины импульса и мгновенной полосы пропускания сигнала, которые в противном случае обратно пропорциональны. Ширина импульса связана со временем нахождения на цели, отношением сигнал/шум (SNR) и максимальной дальностью. Мгновенная полоса пропускания сигнала связана с разрешением по дальности.
Обработка импульсно-доплеровского сигнала : эхо, возникающее из излучаемого всплеска, преобразуется в спектральную область с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). В спектральной области стационарный шум может быть удален, поскольку он имеет сдвиг частоты Доплера, который отличается от сдвига частоты Доплера движущейся цели. Дальность и скорость цели могут быть оценены с увеличенным SNR из-за когерентной интеграции эхо. ^[7]

Бистатический против моностатического

Бистатические радары имеют пространственно смещенные передатчик и приемник. В этом случае датчик в передающей антенне сообщает системе угловое положение сканирующего луча, в то время как датчики, детектирующие энергию, находятся в другой антенне. Синхронизация по времени имеет решающее значение для интерпретации данных, поскольку приемная антенна не движется.

Моностатические радары имеют пространственно совмещенные передатчик и приемник. В этом случае излучение должно быть изолировано от приемных датчиков, поскольку излучаемая энергия намного больше возвращаемой.

Платформа

Помехи на радаре зависят от платформы. Примерами платформ являются воздушные, автомобильные, корабельные, космические и наземные платформы.

Окно распространения

Частота радара выбирается на основе соображений размера и уровня готовности технологий . Частота радара также выбирается для оптимизации эффективной площади рассеяния (ЭПР) предполагаемой цели, которая зависит от частоты. Примерами окон распространения являются окна распространения 3 ГГц (S), 10 ГГц (X), 24 ГГц (K), 35 ГГц (Ka), 77 ГГц (W), 94 ГГц (W).

Режим радара

Режимы радара для точечных целей включают поиск и отслеживание. Режимы радара для распределенных целей включают картографирование и визуализацию местности. Режим радара задает форму волны радара .

Смотрите также

Амплитудный моноимпульс для амплитудно-сравнительного моноимпульса
Фазовая интерферометрия для фазового сравнения моноимпульсов

Ссылки

^ GW Stimson: «Введение в бортовые радары, 2-е изд.», SciTech Publishing, 1998 г.
^ П. Лакомм, Ж.-П. Харданж, Ж.-К. Марше, Э. Нормант: «Воздушные и космические радиолокационные системы: введение», IEE, 2001
^ М.И. Скольник: «Введение в радиолокационные системы, 3-е изд.», McGraw-Hill, 2005
^ RJ Mailloux: «Справочник по фазированным антенным решеткам», Artech House, 2005
^ Э. Брукнер: «Практические фазированные антенные системы», Artech House, 1991 г.
^ RC Hansen: «Фазированные антенные решетки», John Wiley & Sons, 1998
^ А. Лудлофф: «Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, 2. Auflage», Viewegs Fachbücher der Technik, 1998.