Pulsradar
Figuur 1: Runtime meting door radar
Figuur 1: Runtime meting door radar
Pulsradar
Figuur 2: Radar puls relaties
De pulsradar zendt korte en krachtige pulsen uit en ontvangt in de stille periode de echosignalen. In tegenstelling tot de continue-golfradar wordt de zender uitgeschakeld voordat de meting is beëindigd. Deze methode wordt gekenmerkt door radarpulsmodulatie met zeer korte zendpulsen (typisch zendpulsduur van τ ≈ 0.1 … 1 µs). Tussen de zendpulsen bevinden zich zeer grote pulsstops Τ >> τ, die de ontvangsttijd worden genoemd (gewoonlijk Τ ≈ 1 ms), zoals in figuur 2 is aangegeven. De afstand van de reflecterende objecten wordt bepaald door runtime meting (bij een vaste radar) of door vergelijking van de karakteristieke veranderingen van het Doppler spectrum met de waarden voor gegeven afstanden die in een database zijn opgeslagen (voor radar op een snel bewegend platform). Pulsradars zijn meestal ontworpen voor lange afstanden en zenden een relatief hoog pulsvermogen uit.
Een belangrijk onderscheid met andere radartechnieken is de noodzakelijke tijdcontrole van alle processen binnen de pulsradar. De voorrand van de uitgezonden puls is de tijdsreferentie voor de runtime meting. Deze eindigt met de overgang van de opgaande flank van het echosignaal in de puls top. Systematische vertragingen in de signaalverwerking moeten worden gecorrigeerd bij de berekening van de afstand. Willekeurige afwijkingen beïnvloeden de nauwkeurigheid van de pulsradar.
Uitgezonden signaal
De golfvorm van het uitgezonden signaal kan mathematisch worden beschreven als:
| s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] | (1) |
Figuur 3: Frequentiespectrum van een opeenvolging van rechthoekige pulsen in de buurt van de zendfrequentie ftx
Figuur 3: Frequentiespectrum van een opeenvolging van rechthoekige pulsen in de buurt van de zendfrequentie ftx
De functie A(t) is een variatie van de amplitude in de functie van de tijd t – d.w.z. een amplitudemodulatie. In het eenvoudigste geval wordt de zender gedurende korte tijd (gedurende de tijd τ) ingeschakeld en blijft hij de rest van de tijd in de „uit-stand„”. A(t) is dan in het zendgeval = 1, anders = 0. De functie van de tijd wordt dan bepaald door de pulsherhalingsfrequentie en de duty cycle. Aangezien de radarretouren onderhevig zijn aan diverse verliezen, heeft een werkelijke amplitudemodulatie weinig zin, behalve voor alleen deze schakelfunctie (aan/uit keying). De omhullende van het frequentiespectrum van een opeenvolging van rechthoekige pulsen wordt voorgesteld door een (sin x)/x-functie. De essentiële delen van het zendvermogen (let op de logaritmische schaal van de ordinaat in figuur 3) bevinden zich in een gebied BHF = 2/τ in de nabijheid van de zendfrequentie ftx.
De pulsherhalingsfrequentie fPRF en de duur van de uitgezonden puls τ en de ontvangsttijd (Τ − τ) hebben invloed op de prestaties van de radar, b.v. het minimale meetbereik (de uitgezonden puls moet de antenne volledig hebben verlaten) en het maximale ondubbelzinnige bereik (het echosignaal moet worden ontvangen in de tijd vóór de volgende zendpuls).
De duur van de zendpuls τ heeft een aanzienlijke invloed op de bereikresolutie ΔR van pulsradar. De bereikresolutie is:
| ΔR = 0.5·τ·c | (2) |
Hoe korter de zendpuls, hoe dichter de ene achter de andere twee reflectoren kan worden geplaatst, zodat zij niettemin als twee reflectoren en niet als één groot voorwerp worden waargenomen. De zenderbandbreedte BHF van de pulsradar neemt toe met afnemende pulsbreedte:
| BHF = τ−1 | (3) |
De verkorting van de pulsen beperkt het maximale bereik in het geval van eenvoudige pulsmodulatie. Onder deze omstandigheden kan de pulsenergie Ep alleen worden verhoogd met het pulsvermogen PS bij een vereiste bereikresolutie.
Voor het maximale bereik van de pulsradar is de pulsenergie van doorslaggevend belang, en niet het pulsvermogen:
| Ep = Ps· τ = Pav· Τ = | Pav | waarbij | Ep = energie-inhoud van de puls PS = zendimpulsvermogen Pav = gemiddeld vermogen |
(4) |
| fPRF |
Aanzienlijke verbeteringen in deze situatie kunnen worden bereikt met de interne modulatie van de zendimpuls (intra-puls modulatie). De relatie tussen de duur van de uitgezonden puls en de duur van de ontvangen puls wordt opgelost door de pulscompressie in de ontvanger. Een lokalisatie van verschillende reflectoren en de meting van het individuele bereik ervan kan ook worden uitgevoerd binnen de duur van de uitgezonden puls.
De functie φ(t) in vergelijking (1) is de uitdrukking voor een faseverschuiving van het gehele signaal. De beginfase van het uitgezonden signaal kan bekend en voorspelbaar zijn (als gevolg van de opwekking van oscillatie). In dit geval is de pulsradar toe te schrijven aan de volledig coherente radars. De werkelijke fasehoek kan ook bekend zijn, maar de begintoestand kan onvoorspelbaar zijn. Dan behoort de radar tot de pseudo-coherente radars. Indien deze begintoestand volledig onbepaald is (chaotisch), dan behoort de radar tot de niet-coherente radars. Alleen bij een eventuele fasegecodeerde Intrapuls modulatie krijgt deze functie meer belang.
Echosignaal
Gewoonlijk wordt aangenomen dat de duur van de uitgezonden puls gelijk is aan de duur van de gereflecteerde echopuls. Aldus kan in de verhouding van het uitgezonden vermogen en het ontvangen vermogen (die in de fundamentele radarafstandsvergelijking wordt gebruikt) worden afgezien van een tijdspecificatie.
- Door de weerkaatsing van het zendsignaal kan het spectrum worden gewijzigd:
- Er kunnen extra harmonischen op de draaggolffrequentie optreden.
- De draaggolffrequentie kan worden opgelegd aan een of meer Doppler-frequenties.
- De richting van de polarisatie kan worden veranderd.
- De pulsduur van het echosignaal is niet constant. De duur van de gereflecteerde puls kan aanzienlijk worden uitgerekt door interferentie van reflecties op plaatsen met enigszins verschillende afstanden (en na verschillende looptijden).
Alles bij elkaar: het echosignaal is aan zoveel invloeden onderhevig dat de golfvorm en de vorm van het echosignaal in het resultaat als onbekend moeten worden beschouwd. Niettemin moeten, om een optimale gematchte ontvanger of een optimaal gematcht filter te bouwen, meerdere ontvangstkanalen parallel worden opgesteld, rekening houdend met alle mogelijke vervormingen van het signaal. In een selectiekring wordt dan het echosignaal met de beste (grootste) signaal-ruis-plus-storingsverhouding (SNIR) verder verwerkt. De „positie” van het grootste signaal wordt ook opgeslagen als belangrijke informatie voor de identificatie van dit echosignaal.
In het algemeen wordt de ontvangstbandbreedte zo klein mogelijk gehouden, zodat niet veel onnodige ruis wordt ontvangen. Daarom wordt voor een eenvoudige pulsradar de bandbreedte slechts met BHF = 1/τ gekozen. De invloed van de ruis kan in de ontvanger worden onderdrukt door gebruik te maken van pulsintegratie. Hierbij wordt een som van pulsperioden gevormd. Het reflecterende object wordt verondersteld stationair te zijn gedurende de tijd van deze pulsperioden. Aangezien de ruis willekeurig is verdeeld, kan de som van de ruis niet de som van de echosignalen bereiken. De signaal-ruisverhouding wordt door deze maatregel verbeterd.
Ontwerp, Blokdiagram
Figuur 4: Blokschema van een monostatische pulsradar
De constructie van een pulsradar is afhankelijk van de vraag of zender en ontvanger zich op dezelfde plaats bevinden (monostatische radar) of dat beide componenten op geheel verschillende plaatsen worden opgesteld (bistatische radar).
Een monostatische pulsradar heeft, naast de compacte bouwwijze, het voordeel dat de voor pulsradars belangrijke timingapparatuur in een centraal synchronisatieblok kan worden geconcentreerd. De interne runtimes van de radartriggers kunnen daardoor laag worden gehouden. Een uitgebreide radarantenne kan door middel van een multiplexer zowel voor zenden als ontvangen worden gebruikt.
Het nadeel is dat vaak de zeer gevoelige radarontvanger door een duplexer moet worden uitgeschakeld voor zijn eigen bescherming tegen het hoge zendvermogen. Gedurende deze tijd kan hij niets ontvangen.
Beschrijving van de modules in het blokschema
Bij een bistatische pulsradar is de ontvanger uitgerust met een eigen antenne op een andere plaats dan de zender. Dit heeft het voordeel dat de ontvanger kan werken zonder noemenswaardige beschermingsmaatregelen tegen een te hoog zendvermogen. In het eenvoudigste geval wordt een netwerk opgebouwd uit extra ontvangerlocaties bij een bestaande monostatische pulsradar. Voorbeeld: weerradar Poldirad in Oberpfaffenhofen, Duitsland (bij München). De ontvangstantennes zijn niet erg richtingsgevoelig: zij moeten uit verschillende richtingen tegelijk kunnen ontvangen. Het nadeel hiervan is de zeer ingewikkelde synchronisatie. Gelijktijdig met de echosignalen moet de ontvanger ook het directe zendsignaal ontvangen. Uit dit signaal en de bekende afstand tot de zender moet een synchronisatiesignaal worden gegenereerd. De voornaamste militaire toepassing van bistatische configuraties zijn de Over-The-Horizon (OTH) radars.
De passieve radars zijn een variant van de bistatische radar. Zij maken parasitair gebruik van diverse RF-emissies (radio- of televisiezenders, of externe pulsradars). De passieve radar berekent de positie van de doelen uit het verschil tussen de tijd van het directe pad van het signaal en de extra looptijd van de gereflecteerde echosignalen. Onduidelijkheden in de meting kunnen enerzijds worden uitgesloten door directe richtingbepaling met behulp van ongewenste emissies van het doelwit of door synchronisatie van twee passieve radars die op verschillende plaatsen werken.
Toepassingen
Pulsradars zijn voornamelijk ontworpen voor lange afstanden. De belangrijkste toepassing is nog steeds de militaire sector. Andere toepassingen zijn luchtverkeersleiding, weerobservatie (in het bijzonder neerslagradar) en teledetectie van het aardoppervlak met behulp van satellieten.