Radarsignalegenskaper - Radar signal characteristics

Ett radarsystem använder en radiofrekvent elektromagnetisk signal som reflekteras från ett mål för att bestämma information om det målet. I vilket som helst radarsystem kommer den utsända och mottagna signalen att uppvisa många av de egenskaper som beskrivs nedan.

Radarsignalen i tidsdomänen

Diagrammet nedan visar egenskaperna för den sända signalen i tidsdomänen. Observera att i denna och i alla diagram i denna artikel är x-axeln överdriven för att göra förklaringen tydligare.

Bärare

Bäraren är en RF- signal, typiskt av mikrovågsfrekvenser, som vanligtvis (men inte alltid) moduleras för att tillåta systemet att fånga erforderlig data. I enkla radarer kommer bäraren att pulsmoduleras och i kontinuerliga vågsystem , såsom Doppler-radar , behöver modulering inte behövas. De flesta system använder pulsmodulering , med eller utan andra kompletterande moduleringssignaler. Observera att med pulsmodulering är bäraren helt enkelt på och av i synkronisering med pulserna; den modulerande vågformen existerar faktiskt inte i den sända signalen och pulsvågformens hölje extraheras från den demodulerade bäraren i mottagaren. Även om det är uppenbart när det beskrivs, missas denna punkt ofta när pulssändningar först studeras, vilket leder till missförstånd om signalens karaktär.

Pulsbredd

Pulsbredden ( ) (eller pulsvaraktigheten) för den sända signalen är tiden, vanligtvis i mikrosekunder, varvid varje puls varar. Om pulsen inte är en perfekt fyrkantvåg mäts tiden vanligtvis mellan 50% effektnivåerna för de stigande och fallande kanterna på pulsen. ${\ displaystyle \ tau}$

Pulsbredden måste vara tillräckligt lång för att säkerställa att radaren avger tillräckligt med energi så att den reflekterade pulsen kan detekteras av mottagaren. Mängden energi som kan levereras till ett avlägset mål är produkten av två saker; sändarens topputeffekt och sändningens varaktighet. Därför begränsar pulsbredden det maximala detekteringsområdet för ett mål.

Pulsbredden begränsar också avståndsdiskrimineringen, det vill säga radarens förmåga att skilja mellan två mål som ligger nära varandra. I vilket område som helst , med liknande azimut- och höjdvinklar och sett av en radar med en omodulerad puls, är områdesupplösningen ungefär lika i avstånd till hälften av pulslängden gånger ljusets hastighet (cirka 300 meter per mikrosekund).

Pulsbredden bestämmer också radarens döda zon på nära håll. Medan radarsändaren är aktiv är mottagarens ingång tom för att undvika att förstärkarna överförs (mättad) eller, (mer troligt), skadas. En enkel beräkning avslöjar att det tar cirka 10,8 μs för ett radareko att återvända från ett mål 1 stadge mil bort (räknas från sändarens puls ( T ₀ ), (ibland känd som sändarens huvudsak)). För enkelhets skull kan dessa siffror också uttryckas som en sjömil i 12,4 μs eller 1 kilometer på 6,7 μs. (För enkelhetens skull kommer alla ytterligare diskussioner att använda metriska siffror.) Om radarpulsbredden är 1 μs, kan det inte finnas någon detektering av mål närmare än cirka 150 m, eftersom mottagaren är tom.

Allt detta innebär att designern inte bara kan öka pulsbredden för att få större räckvidd utan att påverka andra prestandafaktorer. Som med allt annat i ett radarsystem måste kompromisser göras med ett radarsystems design för att ge optimal prestanda för dess roll.

Pulsrepetitionsfrekvens (PRF)

För att bygga upp ett urskiljbart eko avger de flesta radarsystem pulser kontinuerligt och upprepningshastigheten för dessa pulser bestäms av systemets roll. Ett eko från ett mål kommer därför att "målas" på displayen eller integreras i signalprocessorn varje gång en ny puls sänds, vilket förstärker returen och underlättar detekteringen. Ju högre PRF som används, desto mer målas målet. Men med högre PRF minskas det område som radaren kan "se". Radardesigners försöker använda den högsta möjliga PRF som står i proportion till de andra faktorer som begränsar den, som beskrivs nedan.

Det finns två andra aspekter relaterade till PRF som designern måste väga mycket noggrant; antennens strålbreddskarakteristika och den erforderliga periodiciteten med vilken radaren måste svepa synfältet. En radar med 1 ° horisontell strålbredd som sveper hela 360 ° horisonten varannan sekund med en PRF på 1080 Hz kommer att utstråla 6 pulser över varje 1-graders båge. Om mottagaren behöver minst 12 reflekterade pulser med liknande amplituder för att uppnå en acceptabel sannolikhet för detektering, finns det tre val för designern: dubbla PRF, halvera svephastigheten eller dubbla strålbredden. I verkligheten används alla tre valen, i varierande omfattning; radardesign handlar om kompromisser mellan motstridiga tryck.

Förskjuten PRF

Förskjuten PRF är en överföringsprocess där tiden mellan förhör från radar ändras något, på ett mönstrat och lätt urskiljbart upprepande sätt. Ändringen av repetitionsfrekvensen gör det möjligt för radaren, på puls-till-pulsbasis, att skilja mellan returer från sina egna sändningar och returer från andra radarsystem med samma PRF och liknande radiofrekvens. Tänk på en radar med ett konstant intervall mellan pulserna; målreflektioner uppträder vid ett relativt konstant intervall relaterat till pulsens flygtid. I dagens mycket trånga radiospektrum kan det finnas många andra pulser som detekteras av mottagaren, antingen direkt från sändaren eller som reflektioner från andra håll. Eftersom deras uppenbara "avstånd" definieras genom att mäta deras tid i förhållande till den sista pulsen som sänts av "vår" radar, skulle dessa "störande" pulser kunna visas på vilket som helst uppenbart avstånd. När PRF för "jamming" -radaren är mycket lik "vår" radar, kan de uppenbara avstånden vara mycket långsamma, precis som riktiga mål. Genom att använda förskjutning kan en radardesigner tvinga "störning" att hoppa oregelbundet inom uppenbart räckvidd, vilket hämmar integrationen och minskar eller till och med undertrycker dess inverkan på verklig måldetektering.

Utan förskjuten PRF kan eventuella pulser som härrör från en annan radar på samma radiofrekvens verka stabila med tiden och kan misstas för reflektioner från radarens egen överföring. Med förskjuten PRF verkar radarnas egna mål vara stabila i räckvidd i förhållande till sändningspulsen, medan '' jamming '' -ekon kan röra sig inom synbart intervall (okorrelerat), vilket får dem att avvisas av mottagaren. Förskjuten PRF är bara en av flera liknande tekniker som används för detta, inklusive jittered PRF (där pulstimingen varieras på ett mindre förutsägbart sätt), pulsfrekvensmodulering och flera andra liknande tekniker vars huvudsyfte är att minska sannolikheten för oavsiktlig synkronicitet. Dessa tekniker används i stor utsträckning inom marinsäkerhets- och navigeringsradar, den överlägset mest talrika radaren på planeten Jorden idag.

Röran

Clutter avser radiofrekventa (RF) ekon som returneras från mål som är ointressanta för radaroperatörerna. Sådana mål innefattar naturliga föremål, såsom jord, hav, utfällning (såsom regn, snö eller hagel), sandstormar , djur (speciellt fåglar), atmosfärisk turbulens , och andra atmosfäriska effekter, såsom jonosfären reflektioner, meteor spår, och tre kropp spridning spik . Störning kan också återlämnas från konstgjorda föremål som byggnader och avsiktligt genom motåtgärder från radar som agn .

Några röran kan också orsakas av en lång radar vågledare mellan radar sändtagaren och antennen. I en typisk planpositionsindikator (PPI) -radar med en roterande antenn kommer detta vanligtvis att ses som en "sol" eller "solstråle" i mitten av skärmen när mottagaren svarar på ekon från dammpartiklar och missvisande RF i vågledaren . Att justera tidpunkten mellan när sändaren skickar en puls och när mottagarsteget är aktiverat kommer i allmänhet att minska solstrålningen utan att påverka noggrannheten i räckvidden, eftersom de flesta solstrålar orsakas av en diffus sändpuls reflekterad innan den lämnar antennen. Clutter anses vara en passiv störningskälla, eftersom den bara visas som svar på radarsignaler som skickas av radaren.

Störning upptäcks och neutraliseras på flera sätt. Störningar tenderar att verka statiska mellan radarsökningar; vid efterföljande skanningsekon verkar önskvärda mål röra sig och alla stationära ekon kan elimineras. Havsrörelser kan minskas genom att använda horisontell polarisering, medan regn minskas med cirkulär polarisering (observera att meteorologiska radarer önskar motsatt effekt och därför använder linjär polarisering för att upptäcka nederbörd). Andra metoder försöker öka förhållandet mellan signal och röran.

Röra rör sig med vinden eller är stillastående. Två vanliga strategier för att förbättra mätning eller prestanda i en rörig miljö är:

• Rörlig målindikering , som integrerar på varandra följande pulser och
• Dopplerbehandling, som använder filter för att separera röran från önskade signaler.

Den mest effektiva tekniken för att reducera skräp är pulsdopplerradar med kapacitet för ned- och nedskjutning. Doppler separerar röran från flygplan och rymdfarkoster med hjälp av ett frekvensspektrum , så individuella signaler kan separeras från flera reflektorer i samma volym med hjälp av hastighetsskillnader. Detta kräver en sammanhängande sändare. En annan teknik använder en rörlig målindikation som subtraherar mottagningssignalen från två på varandra följande pulser med användning av fas för att reducera signaler från långsamt rörliga objekt. Detta kan anpassas för system som saknar en sammanhängande sändare, såsom tidsdomän pulsamplitudradar .

Konstant falsk larmhastighet , en form av automatisk förstärkningskontroll (AGC), är en metod som förlitar sig på röran returnerar långt fler än ekon från intressanta mål. Mottagarens förstärkning justeras automatiskt för att bibehålla en konstant nivå av total synlig röran. Även om detta inte hjälper till att upptäcka mål som maskeras av starkare omgivande röran, hjälper det att skilja starka målkällor. Tidigare styrdes radar AGC elektroniskt och påverkade förstärkningen för hela radarmottagaren. När radar utvecklades blev AGC datorprogramstyrd och påverkade förstärkningen med större granularitet i specifika detektionsceller.

Trassel kan också komma från flervägsekon från giltiga mål orsakade av markreflektion, atmosfärisk ledning eller jonosfärisk reflektion / brytning (t.ex. avvikande fortplantning ). Den här röran är särskilt störande eftersom den verkar röra sig och beter sig som andra normala (punkt) mål av intresse. I ett typiskt scenario reflekteras ett flygeko från marken nedan och ser ut för mottagaren som ett identiskt mål under det korrekta. Radaren kan försöka förena målen, rapportera målet i fel höjd eller eliminera det på grund av skakningar eller en fysisk omöjlighet. Terrängstoppstopp utnyttjar detta svar genom att förstärka radarsignalen och rikta den nedåt. Dessa problem kan övervinnas genom att införliva en markkarta över radarens omgivning och eliminera alla ekon som verkar ha sitt ursprung under marken eller över en viss höjd. Monopulse kan förbättras genom att ändra höjdalgoritmen som används vid låg höjd. I nyare radarutrustning för flygtrafikstyrning används algoritmer för att identifiera de falska målen genom att jämföra den aktuella pulsavkastningen med de intilliggande, liksom beräkna returtroabiliteter.

Känslighetstidskontroll (STC)

STC används för att undvika mättnad av mottagaren från att komma nära markjorden genom att justera mottagarens dämpning som en funktion av avståndet. Mer dämpning tillämpas på avkastningar nära och minskar när intervallet ökar.

Otvetydigt intervall

Enstaka PRF

I enkla system måste ekon från mål detekteras och bearbetas innan nästa sändarpuls genereras om områdets tvetydighet ska undvikas. Områdets tvetydighet inträffar när tiden det tar för ett ek att återvända från ett mål är större än pulsupprepningsperioden (T); om intervallet mellan sända pulser är 1000 mikrosekunder och returtiden för en puls från ett avlägset mål är 1200 mikrosekunder, är det uppenbara avståndet för målet endast 200 mikrosekunder. Sammanfattningsvis verkar dessa "andra ekon" på displayen vara mål närmare än de egentligen är.

Tänk på följande exempel: om radarantennen ligger cirka 15 m över havet, är avståndet till horisonten ganska nära (kanske 15 km). Markmål längre än detta intervall kan inte detekteras, så PRF kan vara ganska högt; en radar med en PRF på 7,5 kHz returnerar tvetydiga ekon från mål cirka 20 km eller över horisonten. Om PRF emellertid fördubblades till 15 kHz, reduceras det tvetydiga intervallet till 10 km och mål utanför detta intervall visas endast på displayen efter att sändaren har avgivit en annan puls. Ett mål på 12 km verkar vara 2 km bort, även om ekos styrka kan vara mycket lägre än ett äkta mål vid 2 km.

Det maximala icke tvetydiga intervallet varierar omvänt med PRF och ges av:

${\ displaystyle {\ text {Range}} _ {\ text {max entydig}} = \ vänster ({\ frac {c} {2 \, PRF}} \ höger)}$

där c är ljusets hastighet . Om en längre entydig räckvidd krävs med detta enkla system krävs lägre PRF och det var ganska vanligt att tidiga sökradar hade PRF så låga som några hundra Hz, vilket ger ett entydigt räckvidd som överstiger 150 km. Lägre PRF: er introducerar dock andra problem, inklusive sämre målmålning och hastighets-tvetydighet i Pulse-Doppler- system (se nedan ).

Flera PRF

Moderna radarer, särskilt luft-till-luft-stridsradar i militära flygplan, kan använda PRF i tiotals till hundratals kilohertz och förskjuta intervallet mellan pulserna för att möjliggöra att rätt intervall bestäms. Med denna form av förskjuten PRF sänds ett paket pulser med ett fast intervall mellan varje puls, och sedan sänds ett annat paket med ett något annat intervall. Målreflektioner visas i olika intervall för varje paket ; dessa skillnader ackumuleras och sedan kan enkla aritmetiska tekniker användas för att bestämma verkligt intervall. Sådana radarer kan använda upprepade mönster av paket eller mer anpassningsbara paket som svarar på uppenbara målbeteenden. Oavsett radar som använder tekniken är universellt sammanhängande , med en mycket stabil radiofrekvens, och pulspaketen kan också användas för att göra mätningar av dopplerförskjutningen (en hastighetsberoende modifiering av den uppenbara radiofrekvensen), särskilt när PRF: erna är i hundratals kilohertz-intervallet. Radarer som utnyttjar dopplereffekter på detta sätt bestämmer typiskt relativ hastighet först från dopplereffekten och använder sedan andra tekniker för att härleda målavstånd.

Maximal entydig räckvidd

Som mest förenklat kan MUR (maximalt entydigt intervall) för en pulsförskjutningssekvens beräknas med hjälp av TSP (total sekvensperiod). TSP definieras som den totala tid det tar för det pulsade mönstret att upprepas. Detta kan hittas genom att lägga till alla element i stagger-sekvensen. Formeln härrör från ljusets hastighet och längden på sekvensen:

${\ displaystyle MUR = \ vänster (c * 0,5 * TSP \ höger)}$

där c är ljusets hastighet , vanligtvis i meter per mikrosekund, och TSP är tillägget av alla positionerna för stagssekvensen, vanligtvis i mikrosekunder. I en förskjuten sekvens kan dock vissa intervall upprepas flera gånger; när detta inträffar är det mer lämpligt att betrakta TSP som tillägg av alla unika intervall i sekvensen.

Det är också värt att komma ihåg att det kan finnas stora skillnader mellan MUR och det maximala området (det område utöver vilket reflektioner troligen kommer att vara för svaga för att detekteras), och att det maximala instrumentintervallet kan vara mycket kortare än någon av dessa. En civil marinradar kan till exempel ha användarväljbara maximala instrumentintervall på 72 eller 96 eller sällan 120 nautiska mil, i enlighet med internationell lag, men maximala entydiga intervall på över 40 000 nautiska mil och maximala detektionsområden på kanske 150 sjömil. När sådana stora skillnader noteras avslöjar det att det huvudsakliga syftet med förskjuten PRF är att minska "störning" snarare än att öka entydiga räckviddsfunktioner.

Radarsignalen i frekvensdomänen

Rena CW-radarer visas som en enda rad på en Spectrum-analysator och när modulerad med andra sinusformade signaler skiljer sig spektrumet lite från det som erhålls med standardanalogiska moduleringsscheman som används i kommunikationssystem, såsom frekvensmodulering och består av bäraren plus en relativt litet antal sidoband . När radarsignalen moduleras med ett pulståg som visas ovan blir spektrumet mycket mer komplicerat och mycket svårare att visualisera.

Grundläggande Fourier-analys visar att varje repetitiv komplex signal består av ett antal harmoniskt relaterade sinusvågor. Radarpulståget är en form av fyrkantvåg , den rena formen av som består av den grundläggande plus alla de udda övertonerna. Den exakta sammansättningen av pulståget beror på pulsbredden och PRF, men matematisk analys kan användas för att beräkna alla frekvenser i spektrumet. När pulståget används för att modulera en radarbärare, kommer det typiska spektrumet till vänster att erhållas.

Undersökning av detta spektralsvar visar att det innehåller två grundläggande strukturer. Den grova strukturen ; (topparna eller 'loberna' i diagrammet till vänster) och den fina strukturen som innehåller de enskilda frekvenskomponenterna som visas nedan. Enveloppen av loberna i grova strukturen ges av: . ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ pi \, f}}}$

Observera att pulsbredden ( ) bestämmer lobavståndet. Mindre pulsbredder resulterar i bredare lober och därmed större bandbredd. ${\ displaystyle \, \ tau}$

Undersökning av det spektrala svaret i finare detaljer, som visas till höger, visar att den fina strukturen innehåller enskilda linjer eller punktfrekvenser. Formeln för finstrukturen ges av och eftersom perioden för PRF (T) visas längst ner i finspektrumsekvationen, kommer det att finnas färre rader om högre PRF används. Dessa fakta påverkar de beslut som fattas av radardesigners när man överväger de avvägningar som måste göras när man försöker övervinna tvetydigheterna som påverkar radarsignaler. ${\ displaystyle {\ frac {N} {T}}}$

Pulsprofilering

Om upp- och nedgångstiderna för moduleringspulserna är noll, (t.ex. är pulskanterna oändligt skarpa), så blir sidobanden som visas i spektraldiagrammen ovan. Bandbredden som förbrukas av denna överföring kan vara enorm och den totala effekten som sänds fördelas över många hundra spektrallinjer. Detta är en potentiell källa till störningar med andra enheter och frekvensberoende brister i sändningskedjan gör att en del av denna kraft aldrig kommer fram till antennen. I verkligheten är det naturligtvis omöjligt att uppnå så skarpa kanter, så i praktiska system innehåller sidobanden mycket färre linjer än ett perfekt system. Om bandbredden kan begränsas till att inkludera relativt få sidoband, genom att avsiktligt rulla bort pulskanterna, kan ett effektivt system realiseras med minimal potential för störningar med närliggande utrustning. Avvägningen mellan detta är dock att långsamma kanter gör räckviddsupplösningen dålig. Tidiga radar begränsade bandbredden genom filtrering i sändningskedjan, t.ex. vågledaren, skannern etc., men prestanda kan vara sporadisk med oönskade signaler som bryter igenom på avlägsna frekvenser och kanterna på den återvunna pulsen är obestämda. Ytterligare granskning av det grundläggande radarspektrumet som visas ovan visar att informationen i de olika loberna i det grova spektrumet är identisk med den som finns i huvudloben, så att sändnings- och mottagningsbandbredden i så hög utsträckning ger betydande fördelar när det gäller effektivitet och buller minskning.

De senaste framstegen inom signalbehandlingstekniker har gjort användningen av pulsprofilering eller -formning vanligare. Genom att forma pulshöljet innan det appliceras på den sändande anordningen, säg till en cosinuslag eller en trapets, kan bandbredden begränsas vid källan, med mindre beroende av filtrering. När denna teknik kombineras med pulskomprimering kan en bra kompromiss mellan effektivitet, prestanda och områdesupplösning realiseras. Diagrammet till vänster visar effekten på spektrumet om en trapezpulsprofil antas. Det kan ses att energin i sidobanden minskar signifikant jämfört med huvudloben och amplituden hos huvudloben ökas.

På liknande sätt har användningen av en cosinuspulsprofil en ännu mer markant effekt, med sidolobens amplitud praktiskt taget försumbar. Huvudloben ökas återigen i amplitud och sidolobarna minskas på motsvarande sätt, vilket ger en signifikant förbättring av prestandan.

Det finns många andra profiler som kan användas för att optimera systemets prestanda, men cosinus- och trapezprofiler ger i allmänhet en bra kompromiss mellan effektivitet och upplösning och tenderar därför att användas oftast.

Otvetydig hastighet

Detta är en fråga endast med en viss typ av system; den pulsdopplerradar , som använder Doppler-effekten för att lösa hastighet från den skenbara frekvensändringen förorsakad av mål som har netto radiella hastigheter jämfört med radaranordningen. Undersökning av spektrumet som genereras av en pulsad sändare, som visas ovan, avslöjar att vart och ett av sidobanden (både grova och fina) kommer att bli föremål för Doppler-effekten, en annan god anledning att begränsa bandbredd och spektralkomplexitet genom pulsprofilering.

Tänk på det positiva skiftet som orsakas av det slutliga målet i diagrammet som har förenklats mycket för tydlighetens skull. Det kan ses att när den relativa hastigheten ökar, kommer en punkt att nås där de spektrala linjer som utgör ekon är dolda eller aliaserade av nästa sidoband av den modulerade bäraren. Överföring av flera pulspaket med olika PRF-värden, t.ex. förskjutna PRF, kommer att lösa denna tvetydighet, eftersom varje nytt PRF-värde kommer att resultera i en ny sidbandsposition, vilket avslöjar hastigheten för mottagaren. Den maximala entydiga målhastigheten ges av:

${\ displaystyle \ pm {\ frac {c \, PRF} {4 \, f}}}$

Typiska systemparametrar

Att ta hänsyn till alla ovanstående egenskaper innebär att vissa begränsningar läggs på radardesignern. Exempelvis kommer ett system med en 3 GHz bärvågsfrekvens och en pulsbredd på 1 µs att ha en bärarperiod på cirka 333 ps. Varje överförd puls kommer att innehålla cirka 3000 bärcykler och hastighets- och områdets tvetydighetsvärden för ett sådant system skulle vara:

PRF	Hastighets tvetydighet	Områdets tvetydighet
Låg (2 kHz)	50 m / s	75 km
Medium (12 kHz)	300 m / s	12,5 km
Hög (200 kHz)	5000 m / s	750 m

Se även

• Aliasing - anledningen till tvetydiga hastighetsuppskattningar
• Kontinuerlig vågradar (icke-pulsad, ren dopplerbehandling)
• Väderradar (pulserad med dopplerbearbetning)

Referenser

• Moderna radarsystem av Hamish Meikle ( ISBN   0-86341-172-X )
• Avancerade radartekniker och system redigerade av Gaspare Galati ( ISBN   1-58053-294-2 )