www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Antene monoimpuls

Figura 1: Principiul constructiv al unei antene monoimpuls

Prinzipschaltbild einer Monopulsantenne: Alle Strahler der Antenne sind in hier zwei Gruppen eingeteilt, deren Zuleitungen einmal phasengleich und einmal gegenphasig zusammengefasst sind. Diese Monopulsantenne hat also zwei Zuleitungen: den Summen- und den Differenzkanal.

Figura 1: Principiul constructiv al unei antene monoimpuls

Figura 2: Secţiune printr-o reţea de antene monoimpuls

Figura 2: Secţiune printr-o reţea de antene monoimpuls

Antenele monoimpuls sunt reţele de antene la care fiderii asigură nu doar însumarea semnalelor elementelor reţelei, ci şi realizarea unor anumite diferenţe ale acestor semnale. Astfel, la recepţie se obţin mai multe semnale de la reţeaua de antene, acestea fiind folosite pentru determinarea precisă a coordonatelor unghiulare, folosind un singur impuls recepţionat de la ţinte. Exemple:

  1. La radarul primar RRP-117
    • la emisie, toate elementele reţelei sunt alimentate în fază, energia emisă de fiecare însumându-se în spaţiu
    • la recepţie, energia recepţionată de elementele de antenă este însumată rezultând un semnal sumă, dar se realizează şi anumite diferenţe, rezultând semnalele de recepţie diferenţă.
    Toate semnalele obţinute sunt apoi comparate în procesor pentru a calcula cu precizie azimutul şi unghiul de înălţare al ţintei. Folosirea mai multor canale la recepţie permite determinarea coordonatelor unghiulare ale ţintei cu doar un singur impuls recepţionat de la ţintă.
     
  2. La radarele secundare, de exemplu IFF/SIF Siemens 1990
    • un grup de impulsuri este emis pe canalul sumă, iar
    • un impuls este emis pe canalul diferenţă.
    În acest fel se realizează suprimarea lobilor secundari.

Antenele monoimpuls nu reprezintă o categorie separată de antene, tehnica monoimpuls fiind aplicată în structura de fideri reţelelor de antene.
Interogatorul IFF Siemens 1990 foloseşte o reţea de antene log-periodice iar radarul FPS-117 utilizează o reţea fazată de antene.

Conceptul monoimpuls

Figura 3: Determinarea poziţiei unghiulare

Animation zur Darstellung der Interpolation des Azimutwertes

Figura 3: Determinarea poziţiei unghiulare

Tehnica monoimpuls îşi are originea în sistemele radar de urmărire din anii 1970, fiind utilizată în prezent pe scară largă de radarele primare şi secundare.

O ţintă va fi detectată de radar atunci când se află pe direcţia lobului principal al caracteristicii de directivitate. Un radar de supraveghere clasic va recepţiona un anumit număr de impulsuri de la ţintă la trecerea caracteristicii peste ţintă. Când ţinta se află pe direcţia maximului lobului principal, impulsul recepţionat va avea amplitudinea maximă. Radarul va avea o anumită eroare în determinarea direcţiei ţintei, din cauză că va presupune că ţinta se află pe direcţia maximului lobului principal, indiferent de direcţia acesteia. Această eroare este proporţională cu lăţimea lobului caracteristicii de directivitate.

O metodă simplă de a reduce această eroare constă în recepţionarea tuturor impulsurilor reflectate de ţintă la trecerea caracteristicii peste aceasta şi determinarea direcţiei ţintei în momentul în care semnalul ecou recepţionat are amplitudinea maximă.

Din păcate această metodă este afectată de erorile cauzate de zgomotul termic şi de fluctuaţiile suprafeţei efective de reflexie a ţintei. Aceste erori au ca rezultat distorsionarea amplitudinii trenului de impulsuri recepţionate de la ţintă. O altă metodă constă în recepţionarea tuturor impulsurilor de la ţintă şi calcularea direcţiei ca media dintre direcţiile pe care au fost recepţionate primul şi ultimul impuls (figura 3).

Figura 4: Principiul de funcţionare a unei antene monoimpuls

Principle of a monopulse system: The elements in linear antenna array are divided into two halves. These two separate antennae arrays are placed symmetrically in the focal plane on each side of the axis of the radar antenna (this often called boresight axis). In transmission (Tx) mode, both antennae arrays will be fed in phase. In reception (Rx) mode an additional receiving way is possible. From the received signals of both separate antenna arrays, it is possible to calculate Σ (like the transmitted Sum-diagram) and the difference ΔAz, the so called Delta azimuth- diagram. Both signals are then compared as a reply processor function and their difference is used to estimate the azimuth of the target more exactly.

Figura 4: Principiul de funcţionare a unei antene monoimpuls

Un singur impuls recepţionat este suficient!

Tehnica monoimpuls permite eliminarea acestor neajunsuri, asigurând determinarea cu precizie a coordonatelor unghiulare ale ţintei. Prin prelucrarea ulterioară a informaţiilor obţinute utilizând tehnica monoimpuls se pot determina coordonatele unghiulare ale unei ţinte folosind un singur impuls recepţionat de la aceasta (de unde şi denumirea de monoimpuls).

Pentru a înţelege principiul monoimpuls vom considera cazul determinării azimutului folosind reţeaua liniară din figura 1. Aceasta este formată dintr-o serie de elemente dispuse orizontal pe un singur rând împărţit în două jumătăţi cu acelaşi număr de elemente. Cele două jumătăţi sunt simetrice faţă de axa focală a reţelei (numită şi axă electrică). Determinarea azimutului prin metoda monoimpuls cu această reţea de antene presupune folosirea la recepţie a două carcteristici de directivitate, Sumă şi Diferenţă. La emisie (Tx) toate elementele reţelei sunt alimentate în fază rezultând o caracteristică de directivitate numită Sumă sau Σ (reprezentată cu culoarea albastră în figura 4).

La recepţie (Rx) se pot obţine mai multe caracteristici de directivitate. Însumând în fază semnalele recepţionate de la toate elementele reţelei se obţine semnalul recepţionat pe caracteristica Sumă (identică cu cea de la emisie). Dacă însumăm în antifază semnalele recepţionate pe cele două jumătăţi ale rândului vom obţine un semnal diferenţă ΔAz, corespunzător caracteristicii Diferenţă sau Δ. Această caracteristică este formată din doi lobi dispuşi simetric faţă de axul electric al antenei, reprezentaţi cu roşu şi verde în figură. Semnalele de pe cele două canale, Σ şi Δ, sunt comparate în procesor rezultând o valoare foarte precisă a azimutului.

Unghiul dintre axa electrică a antenei şi direcţia ţintei se întâlneşte în literatura de specialitate sub denumirea de unghi OBA (Off-Boresight Angle).

Radarele tridimensionale pot determina şi unghiul de înălţare, din care se calculează apoi înălţimea. Pentru aceasta raţionamentul este identic, dar în plan vertical. În acest plan se vor folosi două caracteristici de directivitate, Sumă (identică cu cea din plan orizontal) şi diferenţă ΔEl sau Delta Elevaţie.

Pentru obţinerea celor trei semnale monoimpuls (Σ, ΔAz şi ΔEl) corespunzătoare celor trei caracteristici de directivitate, întreaga reţea de antene poate fi împărţită în patru zone (Figura 5).

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

Figura 5: Împărţirea în patru zone a unei antene monoimpuls

Prin însumarea corespunzătoare în traseele de fideri a semnalelor recepţionate pe cele patru zone ale antenei rezultă semnalele monoimpuls:

  • Semnalul Sumă Σ    ( I + II + III + IV )
  • Semnalul Diferenţă în azimut ΔAz ( I + IV ) - ( II + III )
  • Semnalul Diferenţă în elevaţie ΔEl ( I + II ) - ( III + IV )

Semnalul  ·Auxiliar Ω

Deşi nu are nicio legătură cu tehnica monoimpuls, reţelele de antene ale radarelor 3D folosesc un al patrulea semnal de recepţie pentru reducerea efectului lobilor secundari ai antenei. Acest semnal este recepţionat printr-o mică antenă suplimentară, numită de obicei antenă Auxiliară sau SLS. Această antenă are o caracteristică omnidirecţională şi este utilizată şi pentru detecţia prezenţei bruiajului activ. Fiecare din cele patru semnale vor fi prelucrate prin propriul canal de recepţie, rezultând astfel patru canale de recepţie paralele.

În funcţie de modul de extragere a informaţiei privind coordonatele unghiulare din semnalele recepţionate, tehnica monoimpuls poate fi: de amplitudine sau de fază.