www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Radar met frequentiediversiteit

Commutator
Duplexer
Frequentie-
selector
Ontvanger
f₂
Ontvanger
f₁
Vertragingslijn
Toevoeging
Toevoeging
Multi-
plikatie
Zender f₁
Zender f₂
Modulator
Modulator
Synchronisatie

Figuur 1: Werkingsprincipe van frequentiediversiteitsradar

Commutator
Duplexer
Frequentie-
selector
Ontvanger
f₂
Ontvanger
f₁
Vertragingslijn
Toevoeging
Toevoeging
Multi-
plikatie
Zender f₁
Zender f₂
Modulator
Modulator
Synchronisatie

Figuur 1: Werkingsprincipe van frequentiediversiteitsradar

Radar met frequentiediversiteit

Om het probleem van de fluctuerende doelgrootte gedeeltelijk op te lossen, gebruiken veel radars twee (of meer) illuminatiefrequenties. Frequentiediversiteit wordt gewoonlijk bereikt door twee samenwerkende zenders te gebruiken om het doel met twee verschillende frequentiesignalen te belichten, zoals in de onderstaande figuur is aangegeven.

De weerkaatste signalen kunnen bij de ontvanger afzonderlijk worden verwerkt om de coherentie te waarborgen. Naast de 3 dB winst door het gebruik van twee zenders in parallel, verbetert het werken op twee afzonderlijke frequenties de prestaties van de radar (gewoonlijk met ongeveer 2,8 dB).

Dankzij de multifrequentie-overdracht is het mogelijk het detectiebereik aanzienlijk te vergroten, bij gelijkblijvende detectiewaarschijnlijkheid en fout-alarmpercentage. Dat wil zeggen dat bij twee radarinstallaties met dezelfde detectiewaarschijnlijkheid en een identiek percentage valse alarmen, het systeem dat op verschillende frequenties kan zenden, het grootste maximale bereik zal hebben. De fysische basis voor dit verschijnsel is de „afvlakking” van complexe fluctuaties in de radardoorsnede van de echo's. Aangezien de extreme waarden (minima en maxima) niet op hetzelfde moment op de verschillende uitgezonden frequenties voorkomen (d.w.z. op een verschillende „plaats” in elk uitgestraald patroon), heffen de tegengestelde faseschommelingen elkaar op.

Wanneer het teruggezonden signaal op de eerste frequentie een maximum bereikt, is dat op de andere frequentie gewoonlijk een minimum. De som van de twee signalen doet geen afbreuk aan de gemiddelde waarde van de amplitude van elk signaal; het levert een „afgevlakt” signaal op, met minder amplitudevariaties. De onafhankelijke verwerking van elke frequentie aan de ontvangstzijde maakt het, volgens hetzelfde principe, mogelijk de „signaal-ruisverhouding” te verbeteren. Indien het minimumniveau van gereflecteerde energie om een doelwit te detecteren slechts op één van de frequenties wordt bereikt (en overschreden), zal de correlatie van de twee ontvangen signalen het mogelijk maken de aanwezigheid van het doelwit te valideren, terwijl het gemiddelde ruisniveau, beperkt door de faseverschuivingsannulering, niet in dezelfde verhouding zal toenemen als het nuttige signaal. Het detectiebereik wordt daardoor vergroot. Het nadeel van deze techniek is dat, uit militair oogpunt, de twee signalen verschillende spectra genereren en daardoor het risico van detectie van de radar door vijandelijke onderscheppingsapparatuur vergroten.

Multifrequentie-emissie wordt door radars gebruikt door middel van een van de volgende technieken:

  1. Gelijktijdige uitzending van meerdere pulsen van verschillende frequenties, die in zijn eenvoudigste vorm kan worden bereikt door het gebruik van meerdere zenders (elk met zijn bijbehorende ontvanger) die gelijktijdig maar op verschillende frequenties werken.
     
  2. De transmissie van een reeks opeenvolgende signalen, elk met een eigen frequentie. De draaggolffrequentie van het uitgezonden signaal kan dan variëren:
    • van de ene puls naar de andere (b.v. frequentie agility),
    • binnen een puls die bestaat uit aan elkaar geplakte „subpulsen” (b.v. frequentiediversiteit),
    • van de ene groep pulsen naar de andere (wat alleen mogelijk is bij hoge pulsherhalingsfrequenties).
    Ook combinaties van verschillende methoden worden gebruikt.

De ASR-910 luchtverkeersleidingsradar genereert bijvoorbeeld een multifrequentiesignaal in de vorm van twee pulsen (één op elke frequentie) die elkaar in zeer korte tijd opvolgen (frequentiediversiteit). De RRP-117 luchtverdedigingsradar genereert ook twee verschillende frequenties en maakt gebruik van pulscompressie. (Aangezien de spectra van de uitgezonden frequenties elkaar bij pulscompressie echter overlappen, moet met andere regels rekening worden gehouden).

De opeenvolgende transmissie van verschillende signalen heeft de volgende voordelen ten opzichte van gelijktijdige transmissie:

Een belangrijk voordeel van simultane multifrequentie-overdracht (diversiteit) is de hoge weerstand tegen interferentie. Dit is het gevolg van de „individuele” verwerking van elk signaal (d.w.z. elke frequentie) op een speciaal ontvangstkanaal. De lineaire optelling van de signaalcomponenten verhoogt de waarschijnlijkheid van detectie van het doel en, in mindere mate, de weerstand tegen interferentie. De oplossing met amplitudemultiplicatie maakt een verhoging van het anti-jammingvermogen mogelijk in plaats van een verhoging van de detectiekans.

De meest voorkomende reden die wordt gegeven om de noodzaak te rechtvaardigen om op twee verschillende frequenties met twee zenders te werken (in het geval van de ASR-910) is redundantie („In het ergste geval, als een van mijn zenders uitvalt, heb ik de andere nog!”). Het maximale detectiebereik wordt dan teruggebracht tot 70%[1] van het maximale systeembereik wanneer beide zenders werken. Het verschijnsel wordt vaak onmiddellijk opgemerkt door de luchtverkeersleider, hoewel het in sommige gevallen van een andere aard is…

  1. Vierde wortel van verliezen van 3 dB (de helft van het uitgezonden vermogen) plus 2 tot 2,8 dB extra verliezen als gevolg van problemen met de doelfluctuatie.
Commutator
Duplexer
Frequentie-
selector
Ontvanger
f₂
Ontvanger
f₁
Vertragingslijn
Toevoeging
Toevoeging
Multi-
plikatie
Zender f₁
Zender f₂
Modulator
Modulator
Synchronisatie

Figuur 1: Werkingsprincipe van frequentiediversiteitsradar

Beschrijving van de werking van de blokken in het schema

Synchronisatie

Deze generator levert het signaal dat de pulsoverdracht, het display en andere bijbehorende circuits synchroniseert.

Modulator

De modulator genereert, vanuit een zeer hoge spanningsbron, de puls die de zender gedurende de gewenste tijd zal prikkelen.

Zender

De radarzender genereert het microgolfsignaal als een korte, krachtige puls die door de antenne in de lucht wordt gestraald.

f1
f2
Voorladen
voor f1
Voorladen
voor f2

Figuur 2: Commutator

Kommutator
f1
f2
Voorladen voor f1
Voorladen voor f2

Figuur 2: Commutator

Commutator

De commutator is in feite een schakelaar - selector waarmee de circulatie van de microgolfsignalen kan worden geregeld. Wanneer hij „passief” is, worden de signalen die op zijn ingangen worden ontvangen, tegelijkertijd op zijn enige uitgang aangetroffen. Wanneer deze „actief” is, worden de signalen ten opzichte van elkaar in de tijd verschoven dankzij „tijdpoorten” (bestuurd door middel van pulsen zoals in het schema is aangegeven) om congestie op de enkele uitgang te voorkomen.

Aangezien de permutaties tussen zeer hoge frequenties zeer snel moeten gebeuren, maakt de schakelaar gebruik van dezelfde elektronische technologie als de duplexer.

Duplexer

De duplexer verbindt de antenne afwisselend met de zender en de ontvanger, waardoor het mogelijk wordt één enkele antenne te gebruiken. Deze omschakeling is nodig om te voorkomen dat de door de zender uitgezonden impulsen met hoog vermogen de schakelingen van de ontvanger (die gekalibreerd zijn voor de verwerking van signalen met zeer laag vermogen) beschadigen of vernielen.

Antenne

De antenne verspreidt de energie van de zender in de ruimte in een bepaald volume en met de gewenste efficiëntie. Het proces is hetzelfde als bij de ontvangst, waarbij de antenne de verstrooide energie oppikt in een bepaald volume van de ruimte en met de gewenste efficiëntie.

Frequentieselector

De frequentieselector is een filter dat aan elke uitgezonden frequentie is aangepast. Hij verdeelt de bij elke ontvanger ontvangen echo's naar gelang van hun frequentie.

Ontvangers

Ontvangers versterken en demoduleren de ontvangen microgolfsignalen. Aan de uitgang levert een ontvanger videosignalen.

Vertragingslijn
f2  f1
oscilloscoop
vertragingstijd

Figuur 3: Vertragingslijn

f2  f1
oscilloscoop
vertragingstijd

Figuur 3: Vertragingslijn

Bij verzending volgt de f2-puls na een bepaalde vertraging op de f1-puls. Om deze vertraging bij de ontvangst op te heffen (puls f2 zal niet sneller gaan om de achterstand in te halen, zelfs niet als wij dat eisen!), moet de f1 puls op zijn beurt met precies dezelfde hoeveelheid vertraagd worden. De signaalverwerking kan dan gelijktijdig op beide synchrone signalen worden toegepast. Merk op dat de eerste uitgezonden puls wordt weergegeven door de eerste puls die op de oscilloscoop wordt getoond, d.w.z. de puls aan de linkerkant van het scherm.

Signaalverwerking

Wanneer de radar gebruik maakt van verschillende frequenties, wordt elk signaal verwerkt door zijn eigen ontvangerkanaal (op zijn eigen frequentie). De signalen worden vervolgens gecombineerd en afgekapt tot een drempelwaarde. Er worden verschillende soorten verwerking gebruikt:

Het gebruik van een van deze technieken maakt het mogelijk de meest efficiënte behandeling te verkrijgen.
Over het algemeen is het echter onmogelijk om te weten welk systeem voor een bepaald systeem wordt gebruikt, aangezien deze informatie als zeer vertrouwelijk wordt beschouwd.

Indicator

De indicator moet de gebruiker een permanente, gemakkelijk te interpreteren grafische voorstelling geven van de relatieve positie van de door de radar gedetecteerde doelen.