Radar Grondbeginselen

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:

• de uitgezonden signalen elkaar niet storen,
• zijn de voorwaarden voor het beheer van het signaalvermogen gunstiger en kan slechts één zender worden gebruikt,
• de constructie van de zenders en de antenne is betrekkelijk eenvoudig.

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.