Puls Doppler Radar

Puls-Doppler radar  er et radarsystem, hvor bestemmelsen af ​​rækkevidden til målet udføres ved at måle forsinkelsestiden for sonderingssignalet, der reflekteres fra det, og bestemmelsen af ​​målets hastighed er ved frekvensforskydningen af ​​det reflekterede signal, der resulterer i fra Doppler-effekten . En sådan radar kombinerer funktionerne af pulserende radarer og kontinuerlige bølgeradarer, som tidligere var adskilt på grund af kompleksiteten af ​​fælles implementering på den daværende eksisterende elementbase.

Historie

Den første operationelle puls-Doppler-radar blev brugt i det amerikanske CIM-10 Bomarc langtrækkende supersoniske missil, som har ramjetmotorer og er udstyret med et W40-atomvåben til at ødelægge hele formationer af angribende fjendtlige fly. Pulse-Doppler-systemer blev først udbredt brugt på kampfly fra 1960'erne. Tidligere radarer brugte en metode til at måle forsinkelsestiden for de reflekterede impulser for at bestemme målets rækkevidde og vinklen på antennen (eller lignende midler) til at bestemme retningen til målet. Denne metode virkede dog kun, når radarantennen ikke pegede nedad; i dette tilfælde overvældede jordrefleksionen enhver refleksion fra andre objekter. Da jorden bevæger sig med samme hastighed som flyet, men i den modsatte retning, når flyet bevæger sig, filtrerer Doppler-baserede teknikker jordreturneringer fra, hvilket tillader detektering af målretur. Dette gør det muligt for puls-Doppler-radarer at bruge "se ned og skyd ned"-metoden. En sekundær fordel ved militær radar er at reducere niveauet af udstrålet kraft og samtidig opnå acceptabel ydeevne for at øge radarens stealth.

Puls-Doppler-teknikker er også meget brugt i meteorologiske radarer, hvilket gør det muligt for radaren at bestemme vindhastigheden ud fra hastigheden af ​​enhver nedbør i luften. Puls-Doppler-radar bruges også i syntetiske blænderadarer, der bruges i radioastronomi, jordfjernmåling og kortlægning. Ved løsning af flyvekontrolproblemer bruges denne metode til at isolere signaler fra fly på baggrund af passiv interferens. Ud over de ovennævnte traditionelle radarovervågningsapplikationer er puls-Doppler-radar blevet brugt med succes i sundhedsvæsenet, såsom faldrisikovurdering og falddetektion, medicinske eller kliniske applikationer.

Sådan fungerer pulsradar

Ranging

Puls-Doppler-systemer måler afstanden til et objekt ved at måle den tid, der går mellem tidspunktet for udsendelse af en energiimpuls (sonderingssignal) og tidspunktet for modtagelse af en impuls, der reflekteres fra objektet. Radiobølger forplanter sig i en lige linje med en kendt konstant hastighed - lysets hastighed, så afstanden til et objekt bestemmes ved at måle udbredelsestiden for signalet fra radarantennen til objektet og tilbage, multiplicere den med hastigheden på lys og dividere resultatet med to (hvilket tager højde for udbredelsen af ​​signalet frem og tilbage) .

Måling af hastighed, bølgelængde, forårsaget af kildens bevægelse

Puls-Doppler-radarens funktion er baseret på Doppler-effekten, som består i, at bevægelsen af ​​et mål forårsager en frekvensforskydning af signalet, der reflekteres fra det. Radial hastighed er afgørende for driften af ​​puls-Doppler radar. Når målet bevæger sig mellem hver probeimpuls, modtager de reflekterede signaler en faseforskel, eller faseforskydning, fra impuls til impuls. Dette får målet til at Doppler-modulere det reflekterede signal.

I puls-Doppler-radarer bruges denne effekt til at forbedre ydeevnen. Amplituden i sekvensen af ​​reflekterede impulser fra det samme scannede volumen er lig med

hvor

x0 er afstanden fra radaren til målet, λ er radarens bølgelængde, v er hastigheden, Δ t er tiden mellem to pulser, Θ er bølgefasen af ​​pulssignalet

Vi beregner således:

hvor Δ Θ er faseforskydningen forårsaget af en ændring i målområdet. Hvor kan du finde hastigheden

Dette gør det muligt for radaren at adskille ekkoer fra flere objekter placeret i samme rumfang og adskille dem baseret på forskelle i spektrale karakteristika.

Fordele

Afbøjningshastigheden er valgt i pulserede Doppler-systemer til detektering af fly, så intet under denne hastighed vil blive detekteret. En antennestråle på én grad oplyser millioner af kvadratmeter terræn i en afstand af 16 km, og det resulterer i tusindvis af detektioner ved eller under horisonten, medmindre der bruges Doppler. Puls Doppler radar bruger visse foruddefinerede signalbehandlingskriterier til at eliminere uønskede signaler fra langsomt bevægende objekter. Dette er også kendt som interferensafvisning. Sparkhastigheden sættes normalt lige over den fremherskende vindhastighed (mellem 15 og 150 km/t). Denne hastighedstærskel for vejrradar er sat meget lavere. Dopplerfrekvensen × lyshastigheden i anden kvadrat divideret med to gange sendefrekvensen skal være større end hastighedstærsklen.

I den luftbårne puls-Doppler-radar forskydes hastighedstærsklen med flyets hastighed i forhold til jorden under hensyntagen til offset (cos Θ).

hvor Θ er vinkelforskydningen mellem antennens position og flyets flyvevej. Overfladerefleksioner forekommer i næsten alle radarer. Jordrod opstår typisk i et cirkulært område inden for en radius på omkring 40 km nær jordbaserede radarer. Denne afstand strækker sig meget længere i luftbårne og rumbårne radarer.

Interferens opstår på grund af det faktum, at radiostrålen reflekteres fra jordens overflade, bygninger og vegetation. Interferens reagerer endda på vejret i en radar designet til at detektere og rapportere om fly og rumfartøjer. Interferensen skaber et område med sårbarhed i radaren i tidsdomænet for pulsamplituden. Ikke-Doppler radarsystemer kan ikke rettes direkte mod jorden på grund af den store mængde falske alarmer, der overvælder computere og operatører. Følsomheden bør reduceres nær interferens for at undgå overbelastning. Denne sårbarhed starter i lave højder, et par strålebredder over horisonten og spreder sig nedad. Det findes også i hele mængden af ​​bevægende luft, der er forbundet med en vejrbegivenhed. Puls Doppler radar korrigerer for dette som følger:

* dirigerer radarantennen direkte mod jorden uden at overbelaste computeren eller reducere følsomheden.

* udfylder sårbarhedsområdet forbundet med radaren i tidsdomænet med amplituden af ​​pulserne til detektering af små genstande nær terrænet og vejret.

* Øger detektionsområdet med 300 % eller mere over Moving Target Indication (MTI) ved at forbedre sigtbarheden under rod.

En interferensafvisningsevne på omkring 60 dB er påkrævet for at søge/skyde, og puls-doppler er den eneste strategi, der

kan opfylde dette krav. Dette eliminerer miljømæssige sårbarheder i lav højde og ud over horisonten. Pulskompression og en bevægelig målindikator (MTI) giver synlighed af sub-clutter op til 25 dB. MTI-antennestrålen er rettet over horisonten for at undgå for høje falske alarmfrekvenser, hvilket efterlader systemerne sårbare. Fly og nogle missiler udnytter denne svaghed ved at bruge en teknik kaldet Nap-of-the-earth-flyvning. Denne flyveteknik er ineffektiv mod puls-Doppler-radar.

Puls Doppler giver en fordel, når man forsøger at detektere missiler og lavt-sigbarhed, lavtflyvende fly, havoverflader og vejr. Lyddoppler og målstørrelse understøtter klassificering af passiv køretøjstype, når ven/fjende-identifikation ikke er tilgængelig på transpondersignalet. Den gennemsnitlige pulsrepetitionsfrekvens (PRF) af reflekterede mikrobølgesignaler er mellem 1500 og 15000 cyklusser pr. sekund (Hertz), som er det hørbare område. Det betyder, at en helikopter lyder som en helikopter, et jetfly lyder som et jetfly, og propelfly lyder som propeller. Fly, selv uden bevægelige dele, giver en lyd, og selv den faktiske størrelse af et mål kan beregnes ved hjælp af et lydsignal.

Ulemper

Maksimalt område fra reflektans (rød) til entydigt område af Doppler-hastighed (blå) med en fast pulsgentagelseshastighed. Tvetydighedshåndtering er påkrævet, når målområdet er over den røde linje på grafen, hvilket øger scanningstiden.

Scanningstid er en kritisk faktor for nogle systemer, da køretøjer, der kører med eller over lydens hastighed, kan rejse 1 mil med få sekunders mellemrum, såsom Exocet, Harpoon, X-22 og luft-til-luft-missiler.

Den maksimale tid til at scanne hele himlens volumen bør være i størrelsesordenen ti sekunder eller mindre for systemer, der opererer i dette miljø. I sig selv kan pulserende Doppler-radar være for langsom til at dække hele rumfanget over horisonten, medmindre der bruges en viftestråle. Denne tilgang bruges med AN/SPS 49(V)5 meget lang rækkevidde luftovervågningsradar, som ofrer højdemåling for øget hastighed.

Bevægelsen af ​​den pulserede Doppler-antenne skal være langsom nok til at alle returneringer fra mindst 3 forskellige PRF'er kan behandles til det maksimale forventede detektionsområde. Dette er kendt som dvæletid. Antennebevægelsen for impulsdolleren skal være lige så langsom som en radar, der bruger MTI. Søgeradar, der inkorporerer puls-doppler er normalt dobbelttilstand, fordi den bedste overordnede ydeevne opnås, når puls-doppler bruges til områder med en høj falsk alarmfrekvens (horisont eller under og vejr), mens konventionel radar vil scanne hurtigere i frit rum, hvor den falske alarm raten er lav (over horisonten med klar himmel).

Antennetype er en vigtig overvejelse for multi-mode radar, fordi det uønskede faseskift introduceret af radarantennen kan forringe ydeevnemålinger for sub-clutter synlighed.

Signalbehandling

Forbedring af signalbehandlingen med pulseret Doppler gør det muligt at detektere små, højhastighedsobjekter i umiddelbar nærhed af store, langsomt bevægende reflektorer. For at gøre dette skal senderen være sammenhængende og give lav fasestøj i detektionsintervallet, og modtageren skal have et stort enkelt-instans dynamikområde.

* Detaljeret forklaring af puls-doppler signalbehandling

Puls Doppler signalbehandling inkluderer også flertydighedsopløsning for at bestemme sandt område og hastighed.

* Detaljeret forklaring af disambiguation

De modtagne signaler fra flerheden af ​​PRF'er sammenlignes for at bestemme det sande område ved anvendelse af en rækkeviddedisambigueringsproces.

* Detaljeret forklaring af rækkevidde tvetydighedsopløsning

De modtagne signaler sammenlignes også ved hjælp af en frekvens-ambiguity-opløsningsproces.

* Detaljeret forklaring af frekvens flertydighed opløsning

Områdeopløsning

Rækkeviddeopløsning er den mindste afstand mellem to objekter, der bevæger sig med samme hastighed, før radaren kan registrere to diskrete refleksioner:

Ud over denne samplingsgrænse kan varigheden af ​​den transmitterede puls betyde, at signaler fra to mål vil blive modtaget samtidigt fra forskellige dele af pulsen.

Hastighedsopløsning

Hastighedsopløsning er den minimale radiale hastighedsforskel mellem to objekter, der bevæger sig i samme afstand, før radaren kan detektere to diskrete refleksioner:

Detaljering

Puls Doppler radar har en række krav, der skal opfylde visse betingelser for at opnå acceptabel ydeevne.

Pulsgentagelseshastighed (PRF)

Puls Doppler bruger typisk en gennemsnitlig pulsgentagelseshastighed (PRF) på omkring 3 kHz til 30 kHz. Rækkevidden mellem transmitterede impulser er fra 5 km til 50 km.

Rækkevidde og hastighed kan ikke måles direkte ved hjælp af gennemsnitlig pulsgentagelseshastighed, og tvetydighedsopløsning er påkrævet for at bestemme den sande rækkevidde og hastighed. Doppler-signaler er typisk over 1 kHz, hvilket er hørbart, så lydsignaler fra mellemimpulsfrekvenssystemer kan bruges til at klassificere passive mål.

Vinkelmåling

Radarsystemer kræver vinkelmåling. Transpondere er normalt ikke forbundet med puls-Doppler-radar, så sidesløjfeundertrykkelse er påkrævet for praktisk drift. Sporingsradarsystemer bruger vinkelfejl til at forbedre nøjagtigheden ved at tage målinger vinkelret på radarantennens stråle. Vinkelmålinger beregnes som gennemsnit over en periode og kombineret med radial bevægelse for at give information, der er egnet til at forudsige et måls position i en kort tid i fremtiden.

Der er to metoder til vinkelfejl, der bruges til sporingsradar: monopuls- og keglescanning.

Sammenhæng

Puls Doppler radar kræver en sammenhængende oscillator med meget lidt støj. Fasestøj reducerer synligheden af ​​sub-clutter ved at skabe synlige bevægelser på stationære objekter. Den hule hulrumsmagnetron og krydsfeltforstærkeren er ikke egnede, fordi støjen, der genereres af disse enheder, påvirker detektionskvaliteten. De eneste forstærkningsenheder, der er egnede til pulseret Doppler, er: klystron, vandrende bølgerør og solid state-enheder.

Radar kammusling

Behandlingen af ​​et pulseret Doppler-signal er et fænomen, der kaldes scalloping. Navnet henviser til en række dips, der falder under opdagelsesprocessen. Scalloping til puls-Doppler-radar inkluderer hastighedsdip skabt af støjfilteret. Hver rumfang skal scannes med 3 eller flere forskellige PRF'er. Detektionsskemaet for de to PRF'er vil have detektionsgab med et mønster af diskrete områder, hver med en ubestemt hastighed.

Indramning

Dæmpede oscillationsartefakter udgør et problem med at finde, detektere og løse tvetydigheder i puls-Doppler-radar. Effekten reduceres på to måder. Først justeres den transmitterede pulsform for at udjævne for- og bagkanten, så RF-effekten stiger og falder uden bratte ændringer. Dette skaber en sendeimpuls med glatte ender i stedet for en firkantbølge, hvilket reducerer det fænomen (ovenfor), der ellers ville blive genkendt som en refleksion fra målet. For det andet styres formen af ​​den modtagne impuls af en vinduesfunktion, der minimerer effekten (ovenfor), der opstår, hver gang en impuls påføres filteret. I et digitalt system justeres fasen og/eller amplituden af ​​hver prøve, før den føres til den hurtige Fourier-transformation. Dolph-Chebyshev-vinduet er det mest effektive, fordi det skaber en flad base til behandling uden en dæmpet oscillationscyklus, der ellers kunne forårsage falske positiver.

Antenne

Puls-Doppler radar er typisk begrænset til mekanisk styrede og aktive fase array antenner. Mekaniske RF-komponenter såsom bølgeleder kan forårsage Doppler-modulation på grund af faseforskydning forårsaget af vibrationer. Dette indfører et krav om

et komplet udvalg af ydelsestests ved hjælp af shakers, der kan producere højeffekt mekanisk vibration ved alle forventede lydfrekvenser. Doppler er ikke kompatibel med de fleste elektronisk styrede fase-arrays. Dette skyldes, at elementerne i faseskifteren i antennen ikke er gensidige, og faseforskydningen skal justeres før og efter hver transmissionsimpuls. Falsk faseforskydning opstår på grund af en pludselig faseforskydningsimpuls, og afvikling i modtageperioden mellem transmitterede impulser sætter Doppler-modulationen i stationær interferens. Modtagemodulering ødelægger princippet om måling af ydeevne for synligheden af ​​sub-interferens. Det tager en tid i størrelsesordenen 50 ns at etablere faseskifteren. Starten af ​​modtagersampling skal forsinkes med mindst én (eller flere) faseskifterindstillingstidskonstant for hver 20 dB subinterferenssynlighed.

De fleste antennefaseskiftere, der opererer ved pulsgentagelseshastigheder over 1 kHz, introducerer falsk faseforskydning, medmindre der træffes særlige foranstaltninger, såsom at reducere faseskifterens afviklingstid til et par tiere af nanosekunder. Følgende er den maksimalt tilladte indstillingstid for antennen. faseskift moduler.

hvor

T = faseskifterindstillingstid, SCV = subinterferenssynlighed i dB, S = antal span-samples mellem hver sendeimpuls, PRF = maksimal beregnet pulsfrekvens.

Antennetype og scanningsegenskaber er valgt af praktiske hensyn til specifikke multi-mode radarsystemer.

Diffraktion

Ru overflader såsom bølger og træer danner et diffraktionsgitter, der er egnet til at forvrænge mikrobølgesignaler. Puls Doppler kan være så følsom, at diffraktionen af ​​bjerge, bygninger eller havtoppe kan bruges til at detektere objekter i hurtig bevægelse, der kan være blokeret af solide forhindringer i sigtelinjen. Dette meget tabsgivende fænomen bliver kun muligt, når radaren har betydelig ekstra synlighed i subclutter. Refraktion (refraktion) og bølgeledere bruger en transmissionsfrekvens i L-båndet (1-2 GHz) eller lavere for at udvide horisonten, hvilket er meget forskelligt fra diffraktion. Brydning for over-horizon-radar bruger den variable tæthed i luftsøjlen over jordens overflade til at omgå radiofrekvenssignaler. Inversionslaget kan skabe transienter såsom troposfærisk flow, som opfanger radiofrekvenssignaler i et tyndt lag luft som en bølgeleder.

Synlighed af sub-clutter

Sub-jamming-synlighed inkluderer et maksimalt forhold mellem jamming-effekt og måleffekt proportionalt med det dynamiske område. Dette bestemmer ydeevnen i dårligt vejr og på jordniveau. Sub-clutter synlighed er forholdet mellem det mindste signal, der kan detekteres i nærvær af et stærkere signal.

En lille refleksion fra et hurtigt bevægende mål kan detekteres i nærvær af større refleksioner fra langsomme forhindringer, hvis følgende er sandt:

Ydeevne

Puls-Doppler-radarligningen kan bruges til at forstå afvejningen mellem forskellige designbegrænsninger såsom strømforbrug, detektionsrækkevidde og sikkerhed ved brug af mikrobølger. Dette er en meget enkel simulering til at evaluere ydeevne i et ideelt miljø. Det teoretiske interval er som følger.

hvor

p = afstand til målet, pt = sendereffekt, Gt = sendeantenneforstærkning, Ap = effektiv blænde (areal) af modtagerantennen, σ = radartværsnit eller målspredningsfaktor, F = antennestrålespredningsfaktor, D = Doppler-filterstørrelse (transmitterimpulser i hver FFT), Kb = Boltzmann-konstant, T = absolut temperatur, B = modtagerbåndbredde (båndpasfilter), N = støjtal.

Denne ligning er udledt ved at kombinere radarligningen med støjligningen og tage hensyn til fordelingen af ​​støj i båndet over et sæt detektionsfiltre. D-værdien føjes til standardradarens rækkeviddeligning for at tage højde for pulseret Doppler-signalbehandling og FM-senderstøjreduktion. Detektionsområdet øges i forhold til den fjerde rod af antallet af filtre for et givet strømforbrug. Alternativt reduceres strømforbruget med antallet af filtre for et givet detektionsområde. Puls-Doppler signalbehandling integrerer hele energien af ​​alle individuelle reflekterede impulser, der kommer ind i filteret. Det betyder, at et 1024-element puls-Doppler-signalbehandlingssystem giver en forbedring på 30,103 dB på grund af den type signalbehandling, der skal bruges af puls-Doppler-radaren. Energien fra alle individuelle impulser fra objektet lægges sammen i processen med filtrering.

Signalbehandling med et 1024-punkts filter forbedrer kun ydeevnen med 30.103 dB, hvis senderen og antennen er kompatible. Det svarer så til en stigning i den maksimale afstand med 562 %. Disse forbedringer er grunden til, at pulserende Doppler er nødvendig til militære og astronomiformål.

Brug af flysporing

Puls-Doppler flydetektionsradar har to tilstande:

Scanningstilstanden inkluderer frekvensfiltrering, amplitudetærskelværdi og flertydighedsopløsning. Hvis refleksionen er blevet detekteret og beregnet, skifter puls Doppler-radaren automatisk til at spore rumfanget omkring sporet.

Sportilstand fungerer som en faselåst sløjfe, hvor Doppler-hastigheden sammenlignes med rejsedistancen for successive scanninger. Mållås viser forskellen mellem to målinger under en tærskelværdi, som kun kan forekomme for et objekt, der opfylder den newtonske mekanik. Andre typer elektroniske signaler kan ikke forårsage optagelse. Blokering er også til stede i andre typer radarer. Blokeringskriterierne er nødvendige for normal driftstid.

Blokering eliminerer behovet for menneskelig indgriben, med undtagelse af helikoptere og elektronisk interferens. Vejrfænomener er underlagt adiabatiske processer forbundet med massen af ​​luftmasser og ikke underlagt newtonsk mekanik, så fangstkriterierne bruges normalt ikke til vejrradar. Puls-Doppler signalbehandling eliminerer selektivt lavhastighedsrefleksioner, så der ikke er nogen detekteringer under tærskelhastigheden. Dette eliminerer terræn, vejr, biologiske og mekaniske stop, med undtagelse af lokkefly. Mål-Doppler-signalet fra detektoren konverteres fra frekvensdomænet gennem tidsdomænet til lyd for operatøren i sporingstilstand på nogle radarsystemer. Operatøren bruger denne lyd til passiv målklassificering, såsom helikoptere og elektronisk interferens.

Helikoptre

Der skal lægges særlig vægt på fly med store bevægelige dele, fordi puls Doppler-radar fungerer som en faselåst sløjfe. Vingespidserne, der bevæger sig tæt på lydens hastighed, producerer det eneste signal, der kan detekteres, når helikopteren bevæger sig langsomt nær terræn- og vejrfronten. Helikoptere ligner hurtigt pulserende støjudsender, undtagen i et rent miljø uden interferens. Et lydsignal afgives for passivt at identificere typen af ​​luftbåren genstand. Mikrobølge-Doppler-frekvensforskydningen forårsaget af reflektorens bevægelse falder inden for området for menneskelig hørbar lyd (20-20.000 Hz), som bruges til målklassificering ud over konventionelle radarskærme og vises som A-bånd, B-bånd, C-bånd og RHI indikator. Det menneskelige øre kan opfatte forskellen bedre end elektronisk udstyr.

En speciel tilstand er påkrævet, fordi Doppler-hastighedsfeedback-informationen skal deaktiveres fra den radiale bevægelse, så systemet kan skifte fra scanning til spor uden at fange. Lignende metoder er nødvendige for at opnå sporinformation for jamming og interferenssignaler, der ikke kan opfylde optagelseskriterierne.

Multimode

Puls-Doppler-radaren skal være multi-mode for at spore flyets dreje- og krydsningsbaner. Mens den er i sporingstilstand, skal puls-Doppler-radaren have en måde at ændre Doppler-filtreringen i rumfanget omkring sporet, når den radiale hastighed falder til under den minimale detektionshastighed. Doppler-filterjusteringen skal være knyttet til radarens sporingsfunktion for automatisk at justere Doppler-skifthastigheden i rummet omkring sporet. Sporing vil stoppe uden denne funktion, fordi ellers vil målsignalet blive afvist af Doppler-filteret, når den radiale hastighed nærmer sig nul på grund af den manglende frekvensændring. Multi-mode-drift kan også omfatte kontinuerlig bølgebelysning for et semi-aktivt radar-målsøgningssystem.

Se også

Noter

Links