Импулсен радар
Изображение 1: Измерване на времето на закъснение на радара
Изображение 1: Измерване на времето на закъснение на радара
Импулсен радар
Изображение 2: Параметри на импулса в радара
Импулсният радар е радиолокационно устройство, което излъчва кратки, мощни импулси и между тях (по време на т.нар. интервал на покой) получава ехо. За разлика от радарите с непрекъснато излъчване, при импулсните радари предавателят се изключва до приключване на измерването. Характерна особеност на този метод е, че сондиращите импулси са с много малка продължителност (обикновено продължителността им е τ ≈ 0,1 … 1 µs. Между сондиращите импулси има много дълги паузи Τ >> τ, които се наричат интервали на приемане (обикновено Т ≈ 1 ms), както е показано на Изображение 2. Обсегът на отразяващите обекти се определя чрез измерване на времето на закъснение на ехото, както е показано на Изображение 1 (за стационарни радари), или чрез сравняване на характерните промени в доплеровия спектър на ехото със стойности за определени обхвати, съхранени в база данни (за радари на бързо движещи се платформи). Импулсните радари обикновено са проектирани за дълъг обсег на целите и излъчват сравнително висока мощност на импулсите.
Важна отличителна черта в сравнение с други радарни методи е необходимостта от синхронизиране във времето на всички процеси, протичащи в импулсния радар. Началният ръб на излъчения импулс определя началото на референтната точка за измерване на закъснението на ехосигнала. Краят на интервала на закъснение е моментът, в който нарастващият фронт на ехосигнала достигне своя връх. Закъсненията, възникващи по време на обработката на сигнала, са систематични и трябва да се вземат предвид при изчисляването на целевия обхват. Случайните отклонения във времето на закъснение влияят на точността на импулсния радар.
Сондиращ сигнал
Формата на сондиращия сигнал може да се опише математически със следния израз:
| s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] | (1) |
Изображение 3. Честотен спектър на правоъгълна импулсна последователност в близко разстояние от носещата честота ftx
Изображение 3. Честотен спектър на правоъгълна импулсна последователност в близко разстояние от носещата честота ftx
Функцията A(t) описва промяната на амплитудата като функция на времето t, например амплитудна модулация. В най-простия случай предавателят се включва за кратък период от време (продължителност τ) и остава «изключен» през останалото време. Следователно A(t) = 1 по време на излъчването на импулса и A(t) = 0 през останалото време. Зависимостта от времето се определя от честотата на повтаряне на импулсите и коефициента на запълване. Тъй като при реакциите на радара се наблюдават различни загуби, които не могат да бъдат точно отчетени, действителната амплитудна модулация няма особен смисъл, освен като превключваща функция (включване/изключване). Обвивката на честотния спектър на периодична импулсна поредица се описва от функция с формата (sin x)/x, наричана понякога дъгова синусоида. Основната част от излъчваната мощност (забележете логаритмичната скала на ординатната ос) е в честотния интервал BHF = 2/τ в близост до носещата честота на сигнала ftx.
Честотата на повторение на импулсите fPRF, продължителността на сондиращия импулс τ и продължителността на интервала на приемане (Τ − τ) определят показателите за качество на радара, като например минималния обхват (сондиращият импулс трябва да напусне изцяло антената) и максималния еднозначно измерим обхват (ехосигналът трябва да бъде приет преди да бъде излъчен следващият сондиращ импулс). Продължителността на сондиращия импулс τ определя основно разделителната способност ΔR на импулсния радар, която се описва с израза:
| ΔR = 0,5·τ·c | (2) |
Колкото по-къс е сондажният сигнал, толкова по-близо един до друг могат да бъдат два отражателя, които въпреки това ще бъдат открити като два отделни обекта, а не като един продължителен обект. Широчината на BHF спектъра на сондиращия сигнал се увеличава с намаляване на продължителността на импулса:
| BHF = τ−1 | (3) |
В случай на проста импулсна модулация намаляването на продължителността на импулса ограничава максималния обхват на радара. При тези условия енергията на сондиращия сигнал Ep може да се увеличи само с мощността на импулса PS при дадена разделителна способност на обхвата. За максималния обхват определящ фактор е енергията на импулса, а не мощността на импулса:
| Ep = Ps· τ = Pav· Τ = | Pav | където | Ep = енергията на импулса; PS = излъчена импулсна мощност; Pav = средна мощност (по време на периода на сондиране). |
(4) |
| fPRF |
Значително подобрение в тази ситуация може да се постигне чрез вътрешна модулация на сондиращия импулс (вътрешноимпулсна модулация). Съотношението между продължителността на сондиращия импулс и продължителността на импулса на изхода на приемника се определя от компресията на импулса в приемника. Измерването на координатите на няколко рефлектора, включително определянето на разстоянието до всеки от тях, може да се извърши по време на продължителността на сондиращия импулс.
Функцията φ(t) в израз (1) описва фазовото изместване на целия сигнал. Радар, при който началната фаза на сондиращия сигнал е известна или може да бъде изчислена, се нарича напълно кохерентен. Ако текущата стойност на фазата е известна, но началната ѝ стойност не е известна, радарът се отнася към един от видовете псевдокохерентни радари. Ако началната фаза е напълно неизвестна (променя се хаотично), радарът е некохерентен. Функцията φ(t) става важна в случаите на вътрешноимпулсна модулация с фазово кодиране.
Ехо сигнал (отразен сигнал)
Обикновено се приема, че продължителността на сондиращия импулс и продължителността на отразения ехо-сигнал са равни. Следователно при изчисления, при които се отчитат мощността на излъчения и мощността на приетия сигнал (какъвто е случаят в основното уравнение на радиолокацията), продължителността на тези сигнали може да се пропусне.
- В спектъра:
- могат да се появят допълнителни хармоници на носещата честота;
- Една или повече доплерови честоти могат да бъдат наложени върху носещата честота.
- Посоката на поляризация може да се промени.
- Продължителността на ехосигнала не е постоянна и може да се увеличи значително поради интерференция на сигналите, отразени от близко разположени целеви елементи (поради което има разлики във времето на закъснение).
В резултат на това ехо-сигналът е подложен на толкова много влияния, че формата му се счита за неизвестна. Въпреки това оптималните съгласувани приемници или съгласувани филтри се създават чрез използване на множество паралелни канали, които отчитат възможните деформации на сигнала. Тези устройства осигуряват възможно най-високото съотношение сигнал/шум+смущения (на английски език: Signal to Noise Plus Interference Ratio, SNIR). От техния изход сигналът постъпва за по-нататъшна обработка. В този случай се запаметява моментът (позиция по времевата ос) на максималното превишаване на шума от сигнала като важен параметър, който идентифицира този сигнал сред сигналите, получени от други цели.
По принцип ширината на честотната лента на приемника се избира възможно най-тясна, за да се намали нивото на получаваните нежелани шумове и смущаващи трептения. В случай на обикновен радиоимпулс ширината на честотната лента на приемника се определя от отношението BHF = 1/τ. Влиянието на шума може да се намали и чрез натрупване на импулси в приемника. Това означава сумиране на получените импулси в няколко периода на сондиране. Предполага се, че по време на интервала на натрупване (няколко периода на сондиране) целта остава неподвижна, т.е. закъснението между импулсите е постоянно и във всеки следващ период ехосигналът ще бъде на едно и също място по оста на времето. Шумът има случайно разпределение на амплитудите и ще бъде добавен със случайни фази. Следователно резултатът от неговото сумиране винаги ще бъде по-малък от сумата на натрупаните ехо. По този начин съотношението сигнал/шум се подобрява чрез използване на натрупването.
Конструкция, блокова схема
Изображение 4: Блок схема на моностатичен импулсен радар (интерактивна образ)
Изображение 4: Блок схема на моностатичен импулсен радар (интерактивна образ) (интерактивно чертане)
Конструкцията на импулсния радар зависи от това дали предавателят и приемникът са разположени на едно и също място (комбиниран, моностатичен радар) или двата компонента са поставени на напълно различни места (многопозиционен, бистатичен радар).
Комбинираният импулсен радар, в допълнение към компактния си дизайн, има предимството, че важните устройства за определяне на времето за импулсния радар могат да бъдат концентрирани в централен блок за определяне на времето. По този начин вътрешните закъснения на превключващите устройства могат да бъдат малки. Сложната и скъпа радарна антена, благодарение на използването на антенния превключвател, може да се използва както за излъчване, така и за приемане на сигнали.
Недостатъкът е необходимостта от изключване на високочувствителния приемник с помощта на антенния превключвател за времето на излъчване на звуковия сигнал, за да се избегне повредата му под въздействието на високата мощност на предавателя. През това време не е възможно приемането на сигнал.
Описание на блоковете в блок-схемата:
При бистатичния импулсен радар приемникът има собствена антена, разположена на разстояние от предавателя. Предимството на този метод е, че не са необходими сложни мерки за защита на приемника от високата мощност на предавателя. В най-простия случай мрежата се изгражда чрез допълване на съществуващ моностатичен радар с нови приемници. Пример: метеорологичен радар Poldirad в Oberpfaffenhofen, Германия (близо до Мюнхен). Приемателните антени не са многопосочни: те трябва да осигуряват приемане от няколко посоки едновременно. Недостатъкът тук е много сложната синхронизация. Едновременно с ехо-сигналите приемникът трябва да получава и директен сигнал от предавателя. В съответствие с този сигнал и известното разстояние до предавателя може да се генерира сигнал за синхронизация. Основното приложение на бистатичната схема във военните приложения са надхоризонтални радари.
Пасивните радари са вид бистатични радари. Те използват различни високочестотни излъчвания (радио- или телевизионно излъчване, импулсни радари). При пасивните радари позицията на целта се изчислява въз основа на разликата между времето на пристигане на директния сигнал и допълнителното време на закъснение на отразения сигнал. Двусмислието на измерването се елиминира чрез директно определяне на посоката към целта по падащите от нея емисии или чрез синхронизиране на два пасивни радара, разположени на различни места.
Приложения
Импулсните радари са предназначени предимно за далечни разстояния до целите. Основното им приложение все още е във военната област. Други приложения са контролът на въздушното движение, наблюдението на времето (особено на валежите) и спътниковото дистанционно наблюдение на Земята.