www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Импульсный радиолокатор

Radar principle:
An electromagnetic pulse travels at the speed of light from an antenna to an airborne target. There the energy is reflected and the echo signal moves back at the same speed and is received by the antenna. The time measurement (in the picture symbolized with stop watches) permits to calculate the distance of airborne target from the run time and the known speed.

Figure 1: Runtime measurement by radar

transmitted energie
echo signal

Рисунок 1. Измерение времени запаздывания в радиолокаторе

Hintergrundbild

Рисунок 1. Измерение времени запаздывания в радиолокаторе

Импульсный радиолокатор

зондирующий импульс
отраженный сигнал
τ
Τ

Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе

зондирующий импульс
отраженный сигнал
τ
Τ

Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе

Импульсный радиолокатор — это радиолокационное устройство, которое излучает короткие мощные импульсы, а между ними (во время так называемого интервала покоя) принимает эхо-сигналы. В отличие от радиолокатора непрерывного излучения, передатчик импульсного радиолокатора выключен до момента окончания измерения. Характерной особенностью этого метода является то, что зондирующие импульсы имеют очень малую длительность (обычно их длительность составляет τ ≈ 0,1 … 1 мкс). Между зондирующими импульсами имеются очень продолжительные паузы Τ >> τ, которые называют интервалами приема (обычно Т ≈ 1 мс), как показано на Рисунке 2. Дальности до отражающих объектов определяют путем измерения времени запаздывания эхо-сигнала, как показано на Рисунке 1 (для стационарных радиолокаторов) или сравнением характерных изменений допплеровского спектра эхо-сигнала со значениями для заданных дальностей, хранящимися в базе данных (для радиолокаторов, расположенных на быстро движущихся платформах). Импульсные радиолокаторы, как правило, разрабатываются для больших дальностей целей и излучают сравнительно высокую импульсную мощность.

Важной отличительной особенностью по сравнению с другими методами радиолокации является необходимость синхронизации во времени всех процессов, происходящих в импульсном радиолокаторе. Передний фронт излучаемого импульса определяет начало отсчета для измерения запаздывания эхо-сигнала. Концом интервала запаздывания является момент достижения нарастающим фронтом эхо-сигнала своей вершины. Задержки, возникающие при обработке сигнала, являются систематическими и должны учитываться при расчете дальности цели. Случайные отклонения времени запаздывания влияют на точность импульсного радиолокатора.

Содержание « Импульсный радиолокатор »
  1. Зондирующий сигнал
  2. Эхо-сигнал (отраженный сигнал)
  3. Построение, структурная схема
  4. Применение
Зондирующий сигнал

Форма зондирующего сигнала может быть математически описана следующим выражением:

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Рисунок 3. Частотный спектр последовательности прямоугольных импульсов вблизи несущей частоты ftx

Рисунок 3. Частотный спектр последовательности прямоугольных импульсов вблизи несущей частоты ftx

Функция A(t) описывает изменение амплитуды в зависимости от времени t, например, амплитудную модуляцию. В простейшем случае передатчик включается на короткое время (длительностью τ), а в остальное время остается в «выключенном» состоянии. Поэтому A(t) = 1 во время излучения импульса и A(t) = 0 в остальное время. Зависимость от времени определяется частотой повторения импульсов и коэффициентом заполнения. Поскольку радиолокационные отклики испытывают разнообразные, не поддающиеся точному учету, потери, действительная амплитудная модуляция не несет особого смысла, за исключением переключающей функции (включение / выключение). Огибающая частотного спектра периодической последовательности импульсов описывается функцией вида (sin x)/x (Рисунок 3), которую иногда называют арочным синусом. Основная часть излучаемой мощности (обратите внимание на логарифмический масштаб оси ординат) находится в интервале частот BHF = 2/τ в окрестности несущей частоты сигнала ftx.

Частота повторения импульсов fPRF, длительность зондирующего импульса τ и длительность интервала приема (Τ − τ) определяют показатели качества радиолокатора, например, минимальную дальность действия (зондирующий импульс должен полностью покинуть антенну) и максимальная однозначно измеряемая дальность (эхо-сигнал должен быть принят до момента излучения следующего зондирующего импульса). Длительность зондирующего импульса τ в основном определяет разрешающую способность по дальности ΔR импульсного радиолокатора, которая описывается выражением:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Чем короче зондирующий сигнал, тем ближе друг к другу могут находиться два отражателя, которые тем не менее будут обнаруживаться как два отдельных объекта, а не как один протяженный объект. Ширина спектра BHF зондирующего сигнала увеличивается по мере уменьшения длительности импульса:

BHF = τ−1 (3)

В случае простой модуляции импульса уменьшение его длительности ограничивает максимальную дальность действия радиолокатора. В этих условиях энергия зондирующего сигнала Ep может быть увеличена только за счет импульсной мощности PS при заданном разрешении по дальности. Для максимальной дальности определяющим фактором является энергия импульса, а не импульсная мощность:

Ep = Ps· τ = Pav· Τ = Pav где Ep = энергия импульса;
PS = излучаемая импульсная мощность;
Pav = средняя мощность (за период зондирования).
(4)
fPRF

Значительное улучшение в такой ситуации может быть достигнуто за счет внутренней модуляции зондирующего импульса (внутриимпульсной модуляции). Соотношение между длительностью зондирующего импульса и длительностью импульса на выходе приемника определяется сжатием импульсов в приемнике. Измерение координат нескольких отражателей, в том числе определение дальности до каждого из них, может быть выполнено в течение длительности зондирующего импульса.

Функция φ(t) в выражении (1) описывает фазовый сдвиг всего сигнала. Радиолокатор, в котором начальная фаза зондирующего сигнала известна или может быть вычислена, называют полностью когерентным. Если же известно текущее значение фазы, но начальное ее значение не известно, то радиолокатор относят к одному из видов псевдокогерентных радиолокаторов. Если начальная фаза полностью неизвестна (меняется хаотически), радиолокатор является некогерентным. Функция φ(t) приобретает большое значение для случаев внутриимпульсной модуляции с кодированием (манипуляцией) фазы.

Эхо-сигнал (отраженный сигнал)

Обычно предполагают, что длительность зондирующего импульса и длительность отраженного эхо-сигнала равны. Поэтому при расчетах, где фигурируют излучаемая мощность и мощность принятого сигнала (что имеет место в фундаментальном уравнении радиолокации), длительность этих сигналов можно опустить.

В итоге эхо-сигнал подвергается такому большому количеству влияний, что его форма рассматривается как неизвестная. Тем не менее, оптимальные согласованные приемники или согласованные фильтры создаются путем использования нескольких параллельных каналов, учитывающих возможные деформации сигнала. Эти устройства обеспечивают максимально возможное отношение «сигнал — (шум + помеха)» (В англоязычных источниках: Signal to Noise Plus Interference Ratio, SNIR). С их выхода сигнал поступает на дальнейшую обработку. При этом запоминается момент (положение на оси времени) максимального превышения сигналом шума как важный параметр, идентифицирующий этот сигнал среди сигналов, принятых от других целей.

В общем случае ширина полосы приемника выбирается как можно более узкой для снижения уровня принимаемых нежелательных шумовых и помеховых колебаний. В случае использования простого радиоимпульса ширина полосы приемника определяется соотношением BHF = 1/τ. Влияние шумов может быть также уменьшено за счет накопления импульсов в приемнике. Это означает суммирование принятых импульсов в нескольких периодах зондирования. Предполагается, что на протяжении интервала накопления (несколько периодов зондирования) цель остается неподвижной, то есть задержка между импульсами будет постоянной и в каждом очередном периоде эхо-сигнал будет находиться на одном и том же месте на оси времени. Шум имеет случайное распределение амплитуд и складываться будет со случайными фазами. Поэтому результат его суммирования всегда будет меньше суммы накопленных эхо-сигналов. Таким образом, за счет использования накопления улучшается отношение «сигнал — шум».

Построение, структурная схема
Синхронизатор
Модулятор
Передатчик
Антенный переключатель
Антенна
Приемник
Индикатор

Рисунок 4. Структурная схема моностатического импульсного радиолокатора

Синхронизатор Модулятор Передатчик Антенный переключатель Антенна Приемник Индикатор ACPs ACPs

Рисунок 4. Структурная схема моностатического импульсного радиолокатора (интерактивный рисунок)

Конструкция импульсного радиолокатора зависит от того находятся ли передатчик и приемник в одном месте (совмещенный, моностатический радиолокатор) или оба эти компонента размещены в совершенно разных местах (многопозиционный, бистатический радиолокатор).

Совмещенный импульсный радиолокатор, в дополнении к компактной конструкции, обладает тем преимуществом, что важные для импульсного радиолокатора устройства синхронизации могут быть сосредоточены в центральном блоке синхронизации. Таким образом, внутренние задержки на переключающих устройствах могут быть малыми. Сложная и дорогая антенна радиолокатора за счет применения антенного переключателя может использоваться как для излучения, так и для приема сигналов.

Недостатком является необходимость отключения высокочувствительного приемника при помощи антенного переключателя на время излучения зондирующего сигнала во избежание выхода его из строя под воздействием большой мощности передатчика. В течение этого времени прием сигналов невозможен.

Описание блоков на блок-схеме:

В бистатическом импульсном радиолокаторе приемник имеет собственную антенну, находящуюся на удалении от передатчика. Этим определяется преимущество, заключающееся в отсутствии необходимости сложных мер защиты приемника от высокой мощности передатчика. В простейшем случае сеть строится путем дополнения существующего моностатического радиолокатора новыми приемными пунктами. Пример: метеорологический радиолокатор Poldirad в Оберпфаффенгофене (Oberpfaffenhofen), Германия (недалеко от Мюнхена). Приемные антенны не являются остронаправленными: они должны обеспечивать прием с нескольких направлений одновременно. Недостатком здесь является очень сложная синхронизация. Одновременно с эхо-сигналами приемник должен принимать и прямой сигнал от передатчика. По этому сигналу и известному расстоянию до передатчика может быть сформирован сигнал синхронизации. Основным применение бистатической схемы в военном деле являются загоризонтные радиолокаторы.

Пассивные радиолокаторы являются разновидностью бистатических радиолокаторов. В них используются различные высокочастотные излучения (радио- или телевещание, импульсные радиолокаторы). В пассивных радиолокаторах положение цели рассчитывается на основе разницы между временем прихода прямого сигнала и дополнительным временем запаздывания отраженного сигнала. Неоднозначность измерения устраняется путем непосредственного определения направления на цель по ее побочным излучениям или путем синхронизации двух пассивных радиолокаторов, расположенных в разных местах.

Применение

Импульсные радиолокаторы разработаны, в основном, для больших расстояний до целей. Основным их применением все еще остается военная сфера. Другими применениями являются управление воздушным движением, наблюдение за погодой (особенно осадками), а также спутниковое дистанционное зондирование Земли.