Puls Doppler Radar

Puls-Doppler-radar  är ett radarsystem i vilket bestämningen av avståndet till målet utförs genom att mäta fördröjningstiden för sonderingssignalen som reflekteras från det, och bestämningen av målets hastighet är genom frekvensförskjutningen av den reflekterade signalen som resulterar i från Dopplereffekten . En sådan radar kombinerar funktionerna hos pulsradar och radar med kontinuerliga vågor, som tidigare var separerade på grund av komplexiteten i gemensam implementering på den då existerande elementbasen.

Historik

Den första operativa puls-Doppler-radarn användes i den amerikanska långdistansöverljudsmissilen CIM-10 Bomarc, som har ramjetmotorer och är utrustad med ett W40-kärnvapen för att förstöra hela formationer av attackerande fientliga flygplan. Puls-Doppler-system användes först i stor utsträckning på stridsflygplan från och med 1960-talet. Tidigare radarer använde en metod för att mäta fördröjningstiden för de reflekterade pulserna för att bestämma målets räckvidd och vinkeln på antennen (eller liknande medel) för att bestämma riktningen till målet. Denna metod fungerade dock bara när radarantennen inte pekade nedåt; i detta fall överväldigade markreflektionen alla reflektioner från andra objekt. Eftersom marken rör sig med samma hastighet som flygplanet men i motsatt riktning när flygplanet rör sig, filtrerar Doppler-baserade tekniker bort markreturer, vilket möjliggör detektering av målreturer. Detta gör det möjligt för puls-Doppler-radarer att använda metoden "se ner och skjut ner". En sekundär fördel med militär radar är att minska nivån av utstrålad kraft samtidigt som man uppnår acceptabel prestanda för att öka radarns smygförmåga.

Puls-Doppler-tekniker används också i stor utsträckning i meteorologiska radar, vilket gör det möjligt för radarn att bestämma vindhastigheten från hastigheten för eventuell nederbörd i luften. Puls-Doppler-radar används också i syntetiska bländarradarer som används inom radioastronomi, jordfjärranalys och kartläggning. Vid lösning av flygtrafikledningsproblem används denna metod för att isolera signaler från flygplan mot bakgrund av passiv störning. Utöver ovanstående traditionella radarövervakningstillämpningar har puls-Doppler-radar använts framgångsrikt inom hälso- och sjukvården, såsom fallriskbedömning och falldetektering, medicinska eller kliniska tillämpningar.

Hur pulsradar fungerar

Ranging

Puls-Doppler-system mäter avståndet till ett objekt genom att mäta den tid som förflutit mellan ögonblicket för utsändning av en energipuls (sonderingssignal) och ögonblicket för mottagandet av en puls som reflekteras från objektet. Radiovågor utbreder sig i en rät linje med en känd konstant hastighet - ljusets hastighet, så avståndet till ett objekt bestäms genom att mäta utbredningstiden för signalen från radarantennen till objektet och tillbaka, multiplicera den med hastigheten på ljus och dividera resultatet med två (vilket tar hänsyn till utbredningen av signalen fram och tillbaka) .

Mätning av hastighet, våglängd, orsakad av källans rörelse

Funktionen av puls-Doppler-radar är baserad på Doppler-effekten, som består i det faktum att rörelsen av ett mål orsakar en frekvensförskjutning av signalen som reflekteras från det. Radiell hastighet är väsentlig för driften av puls-Dopplerradar. När målet rör sig mellan varje sondpuls får de reflekterade signalerna en fasskillnad, eller fasförskjutning, från puls till puls. Detta får målet att dopplermodulera den reflekterade signalen.

I puls-Doppler-radar används denna effekt för att förbättra prestandan. Amplituden i sekvensen av reflekterade pulser från samma avsökta volym är lika med

var

x0 är avståndet från radarn till målet, λ är radarns våglängd, v är hastigheten, Δ t är tiden mellan två pulser, Θ är pulssignalens vågfas

Så vi räknar ut:

där Δ Θ är fasförskjutningen som orsakas av en förändring i målområdet. Var hittar du hastigheten

Detta gör att radarn kan separera ekon från flera objekt i samma volym av rymden, och separera dem baserat på skillnader i spektrala egenskaper.

Fördelar

Avböjningshastigheten väljs i pulsade dopplersystem för att detektera flygplan, så inget under denna hastighet kommer att detekteras. En antennstråle på en grad lyser upp miljontals kvadratmeter terräng på ett avstånd av 16 km, och detta resulterar i tusentals upptäckter vid eller under horisonten om inte doppler används. Puls Doppler-radar använder vissa fördefinierade signalbehandlingskriterier för att eliminera oönskade signaler från långsamt rörliga objekt. Detta är också känt som interferensavvisning. Sparkhastigheten sätts vanligtvis strax över den rådande vindhastigheten (mellan 15 och 150 km/h). Denna hastighetströskel för väderradar är inställd mycket lägre. Dopplerfrekvensen × ljusets hastighet i kvadrat dividerat med två gånger sändningsfrekvensen måste vara större än hastighetströskeln.

I den luftburna puls-Doppler-radarn skiftas hastighetströskeln med flygplanets hastighet i förhållande till marken, med hänsyn tagen till offset (cos Θ).

där Θ är vinkelförskjutningen mellan antennens position och flygplanets flygbana. Ytreflektioner förekommer i nästan alla radarer. Markklutter förekommer vanligtvis i ett cirkulärt område inom en radie av cirka 40 km nära markbaserade radar. Detta avstånd sträcker sig mycket längre i luftburen och rymdburen radar.

Störningar uppstår på grund av att radiostrålen reflekteras från jordytan, byggnader och vegetation. Störningar reagerar till och med på vädret i en radar utformad för att upptäcka och rapportera om flygplan och rymdfarkoster. Interferensen skapar ett område av sårbarhet i radarn i tidsdomänen för pulsamplituden. Icke-dopplerradarsystem kan inte riktas direkt mot marken på grund av den överdrivna mängden falsklarm som överväldigar datorer och operatörer. Känsligheten bör reduceras nära störningar för att undvika överbelastning. Denna sårbarhet börjar på låg höjd, några strålbredder ovanför horisonten och sprider sig nedåt. Det finns också i hela volymen av rörlig luft som är associerad med en väderhändelse. Pulsdopplerradarn korrigerar för detta enligt följande:

* riktar radarantennen direkt mot marken utan att överbelasta datorn eller minska känsligheten.

* fyller det sårbarhetsområde som är associerat med radarn i tidsdomänen med amplituden för pulserna för detektering av små föremål nära terrängen och vädret.

* Ökar detektionsområdet med 300 % eller mer över Moving Target Indication (MTI) genom att förbättra sikten under skräp.

En interferensavvisningsförmåga på cirka 60 dB krävs för sökning/skjutkapacitet, och pulsdoppler är den enda strategin som

kan uppfylla detta krav. Detta eliminerar miljösårbarheter på låg höjd och bortom horisonten. Pulskompression och en indikator för rörligt mål (MTI) ger synlighet av subclutter upp till 25 dB. MTI-antennstrålen är riktad ovanför horisonten för att undvika alltför höga falsklarmfrekvenser, vilket gör systemen sårbara. Flygplan och vissa missiler utnyttjar denna svaghet genom att använda en teknik som kallas Nap-of-the-earth-flygning. Denna flygteknik är ineffektiv mot puls-Doppler-radar.

Pulsdoppler ger en fördel när man försöker upptäcka missiler och lågt flygande flygplan med låg sikt, havsytor och väder. Ljuddoppler och målstorlek stöder passiv fordonstypklassificering när vän/fiende-identifiering inte är tillgänglig på transpondersignalen. Den genomsnittliga pulsrepetitionsfrekvensen (PRF) för reflekterade mikrovågssignaler är mellan 1500 och 15000 cykler per sekund (Hertz), vilket är det hörbara området. Det betyder att en helikopter låter som en helikopter, ett jetplan låter som ett jetplan och propellerplan låter som propellrar. Flygplan, även utan rörliga delar, gör ett ljud, och även den faktiska storleken på ett mål kan beräknas med hjälp av en ljudsignal.

Nackdelar

Maximalt intervall från reflektans (röd) till entydig intervall för dopplerhastighet (blå) med en fast pulsrepetitionsfrekvens. Tvetydighetshantering krävs när målområdet ligger över den röda linjen på grafen, vilket ökar skanningstiden.

Skanningstid är en kritisk faktor för vissa system eftersom fordon som färdas med eller över ljudets hastighet kan färdas 1 mil med några sekunders mellanrum, som Exocet, Harpoon, X-22 och luft-till-luft-missiler.

Den maximala tiden för att skanna hela himlens volym bör vara i storleksordningen tio sekunder eller mindre för system som arbetar i den här miljön. Ensam kan pulsad dopplerradar vara för långsam för att täcka hela volymen av rymden ovanför horisonten om inte en fläktstråle används. Detta tillvägagångssätt används med AN/SPS 49(V)5 Very Long Range Air Surveillance Radar, som offrar höjdmätning för ökad hastighet.

Rörelsen av den pulsade Doppler-antennen måste vara tillräckligt långsam så att alla returer från minst 3 olika PRF:er kan bearbetas till det maximala förväntade detektionsområdet. Detta är känt som uppehållstid. Antennrörelsen för impulsdollarn ska vara lika långsam som en radar som använder MTI. Sökradar som innehåller pulsdoppler är vanligtvis dubbelläge eftersom den bästa övergripande prestandan uppnås när pulsdoppler används för områden med hög falsklarmfrekvens (horisont eller under och väder), medan konventionell radar kommer att skanna snabbare i ledigt utrymme där det falska larmet hastigheten är låg (över horisonten med klar himmel).

Antenntyp är ett viktigt övervägande för flerlägesradar eftersom den oönskade fasförskjutningen som introduceras av radarantennen kan försämra prestandamätningar för sub-cluttersynlighet.

Signalbehandling

Förbättrad signalbehandling med pulsad Doppler gör det möjligt att upptäcka små, höghastighetsobjekt i nära anslutning till stora, långsamt rörliga reflektorer. För att göra detta måste sändaren vara koherent och ge lågt fasbrus under detekteringsintervallet, och mottagaren måste ha ett stort engångsdynamikområde.

* Detaljerad förklaring av puls-doppler signalbehandling

Puls Doppler-signalbehandling inkluderar också tvetydighetsupplösning för att bestämma verkligt avstånd och hastighet.

* Detaljerad förklaring av disambiguation

De mottagna signalerna från flertalet PRF:er jämförs för att bestämma det verkliga avståndet med användning av en avståndsdisambigueringsprocess.

* Detaljerad förklaring av intervalltvetydighetsupplösning

De mottagna signalerna jämförs också med användning av en frekvenstvetydighetsupplösningsprocess.

* Detaljerad förklaring av frekvenstvetydighetsupplösning

Områdesupplösning

Avståndsupplösning är det minsta avståndet mellan två objekt som rör sig med samma hastighet innan radarn kan upptäcka två diskreta reflektioner:

Utöver denna samplingsgräns kan varaktigheten av den sända pulsen innebära att signaler från två mål kommer att tas emot samtidigt från olika delar av pulsen.

Hastighetsupplösning

Hastighetsupplösning är den minsta radiella hastighetsskillnaden mellan två objekt som rör sig på samma avstånd innan radarn kan upptäcka två diskreta reflektioner:

Detaljering

Puls Doppler radar har ett antal krav som måste uppfylla vissa villkor för att uppnå acceptabel prestanda.

Pulsrepetitionsfrekvens (PRF)

Pulsdoppler använder typiskt en genomsnittlig pulsrepetitionsfrekvens (PRF) på cirka 3 kHz till 30 kHz. Avståndet mellan sända pulser är från 5 km till 50 km.

Räckvidd och hastighet kan inte mätas direkt med hjälp av genomsnittlig pulsrepetitionsfrekvens, och tvetydighetsupplösning krävs för att bestämma verklig räckvidd och hastighet. Dopplersignaler är vanligtvis över 1 kHz, vilket är hörbart, så ljudsignaler från medelpulsfrekvenssystem kan användas för att klassificera passiva mål.

Vinkelmätning

Radarsystem kräver vinkelmätning. Transpondrar är normalt inte associerade med puls-Doppler-radar, så sidolobsdämpning krävs för praktisk drift. Spårningsradarsystem använder vinkelfel för att förbättra noggrannheten genom att göra mätningar vinkelrätt mot radarantennens stråle. Vinkelmätningar beräknas i medeltal över en tidsperiod och kombineras med radiell rörelse för att ge information som är lämplig för att förutsäga ett måls position för en kort tid i framtiden.

Det finns två vinkelfelsmetoder som används vid spårningsradar: monopuls- och konskanning.

Koherens

Puls Doppler-radar kräver en koherent oscillator med mycket lite brus. Fasbrus minskar synligheten av sub-clutter genom att skapa synliga rörelser på stationära föremål. Magnetronen med ihålig kavitet och korsfältsförstärkaren är inte lämpliga eftersom bruset som genereras av dessa enheter påverkar detekteringskvaliteten. De enda förstärkningsenheterna som är lämpliga för pulsad doppler är: klystron, vandringsvågrör och solid state-enheter.

Radarmussla

Bearbetningen av en pulsad dopplersignal är ett fenomen som kallas scalloping. Namnet syftar på en serie dippar som faller under upptäcktsprocessen. Scalloping för puls-Doppler-radar inkluderar hastighetssänkningar som skapas av brusfiltret. Varje utrymmesvolym måste skannas med 3 eller flera olika PRF:er. Detekteringsschemat för de två PRF:erna kommer att ha detekteringsluckor med ett mönster av diskreta intervall, vart och ett med en obestämd hastighet.

Inramning

Dämpade oscillationsartefakter utgör ett problem med att hitta, detektera och lösa tvetydigheter i puls-Doppler-radar. Effekten reduceras på två sätt. Först justeras den sända pulsformen för att jämna ut fram- och bakkanten så att RF-effekten stiger och sjunker utan plötsliga förändringar. Detta skapar en sändningspuls med jämna ändar istället för en fyrkantsvåg, vilket minskar fenomenet (ovan) som annars skulle kännas igen som en reflektion från målet. För det andra styrs formen på den mottagna pulsen av en fönsterfunktion som minimerar effekten (ovan) som uppstår varje gång en puls appliceras på filtret. I ett digitalt system justeras fasen och/eller amplituden för varje prov innan det matas till den snabba Fouriertransformen. Dolph-Chebyshev-fönstret är det mest effektiva eftersom det skapar en platt bas för bearbetning utan en dämpad oscillationscykel som annars skulle kunna orsaka falska positiva resultat.

Antenn

Puls-Doppler-radarn är vanligtvis begränsad till mekaniskt styrda och aktiva fasarrayantenner. Mekaniska RF-komponenter som vågledare kan orsaka dopplermodulering på grund av fasförskjutning orsakad av vibrationer. Detta inför ett krav på

ett komplett utbud av prestandatester med shakers som kan producera mekaniska vibrationer med hög effekt vid alla förväntade ljudfrekvenser. Doppler är inte kompatibel med de flesta elektroniskt styrda fasmatriser. Detta beror på det faktum att elementen i fasskiftaren i antennen inte är ömsesidiga, och fasförskjutningen måste justeras före och efter varje sändningspuls. Falsk fasförskjutning inträffar på grund av en plötslig fasförskjutningspuls, och avveckling under mottagningsperioden mellan sända pulser försätter Dopplermodulationen i stationär interferens. Mottagningsmodulering förstör principen att mäta prestanda för synlighet av sub-interferens. Det tar en tid i storleksordningen 50 ns att etablera fasskiftaren. Starten av mottagarsamplingen måste fördröjas med minst en (eller flera) fasskiftarinställningstidskonstant för varje 20 dB av synlighet av substörningar.

De flesta antennfasskiftare som arbetar med pulsrepetitionshastigheter över 1 kHz introducerar falsk fasförskjutning om inte speciella åtgärder vidtas, såsom att reducera fasskiftarens inställningstid till några tiotals nanosekunder. Följande är den maximalt tillåtna inställningstiden för antennen. fasförskjutningsmoduler.

var

T = fasskiftarinställningstid, SCV = subinterferenssynlighet i dB, S = antal spansampler mellan varje sändningspuls, PRF = maximal beräknad pulsfrekvens.

Antenntyp och skanningsegenskaper väljs för praktiska överväganden för specifika multi-mode radarsystem.

Diffraktion

Grova ytor som vågor och träd bildar ett diffraktionsgitter som är lämpligt för att förvränga mikrovågssignaler. Pulsdoppler kan vara så känslig att diffraktionen av berg, byggnader eller havstoppar kan användas för att upptäcka objekt i snabb rörelse som kan blockeras av fasta hinder i siktlinjen. Detta mycket förlustiga fenomen blir möjligt först när radarn har betydande extra synlighet i subklutter. Refraktion (refraktion) och vågledare använder en överföringsfrekvens i L-bandet (1-2 GHz) eller lägre för att vidga horisonten, vilket skiljer sig mycket från diffraktion. Refraktion för radar över horisonten använder den variabla densiteten i luftkolonnen ovanför jordytan för att kringgå radiofrekvenssignaler. Inversionslagret kan skapa transienter som troposfäriskt flöde, som plockar upp radiofrekvenssignaler i ett tunt luftlager som en vågledare.

Synlighet för sub-clutter

Sub-jamming-sikten inkluderar ett maximalt förhållande mellan störningseffekt och måleffekt proportionellt mot dynamiskt omfång. Detta avgör prestandan i dåligt väder och på marknivå. Sub-clutter synlighet är förhållandet mellan den minsta signalen som kan detekteras i närvaro av en starkare signal.

En liten reflektion från ett snabbt rörligt mål kan upptäckas i närvaro av större reflektioner från långsamma hinder om följande är sant:

Prestanda

Puls-Doppler-radarekvationen kan användas för att förstå avvägningarna mellan olika designbegränsningar som strömförbrukning, detektionsräckvidd och säkerhet vid användning av mikrovågsstrålning. Detta är en mycket enkel simulering för att utvärdera prestanda i en idealisk miljö. Det teoretiska intervallet är som följer.

var

p = avstånd till målet, pt = sändareffekt, Gt = sändande antennförstärkning, Ap = effektiv apertur (area) för den mottagande antennen, σ = radartvärsnitt eller målspridningsfaktor, F = antennstrålespridningsfaktor, D = Dopplerfilterstorlek (sändningspulser i varje FFT), Kb = Boltzmann konstant, T = absolut temperatur, B = mottagarens bandbredd (bandpassfilter), N = brustal.

Denna ekvation härleds genom att kombinera radarekvationen med brusekvationen och ta hänsyn till fördelningen av brus i bandet över en uppsättning detekteringsfilter. D-värdet läggs till standardradarräckviddsekvationen för att ta hänsyn till pulsad dopplersignalbehandling och FM-sändarens brusreducering. Detektionsområdet ökar i proportion till den fjärde roten av antalet filter för en given strömförbrukning. Alternativt reduceras strömförbrukningen med antalet filter för ett givet detektionsområde. Puls-Doppler signalbehandling integrerar hela energin för alla individuella reflekterade pulser som kommer in i filtret. Detta innebär att ett puls-Doppler-signalbehandlingssystem med 1024 element ger en förbättring på 30,103 dB på grund av den typ av signalbehandling som ska användas av puls-Doppler-radarn. Energin från alla individuella impulser från objektet adderas i filtreringsprocessen.

Signalbehandling med ett 1024-punktsfilter förbättrar prestandan med 30,103 dB endast om sändaren och antennen är kompatibla. Detta motsvarar då en ökning av maxavståndet med 562 %. Dessa förbättringar är anledningen till att pulsad Doppler behövs för militära och astronomiändamål.

Använda flygplansspårning

Puls-Doppler flygplansdetekteringsradar har två lägen:

Skanningsläget inkluderar frekvensfiltrering, amplitudtröskelvärde och tvetydighetsupplösning. Om reflektionen har detekterats och beräknats växlar pulsdopplerradarn automatiskt till att spåra rymdvolymen runt spåret.

Spårläget fungerar som en faslåst slinga, där dopplerhastigheten jämförs med reseavståndet för på varandra följande skanningar. Mållås visar skillnaden mellan två mätningar under ett tröskelvärde, vilket endast kan inträffa för ett objekt som uppfyller den newtonska mekaniken. Andra typer av elektroniska signaler kan inte orsaka infångning. Blockering finns också i andra typer av radar. Blockeringskriterierna är nödvändiga för normal drifttid.

Blockering eliminerar behovet av mänskligt ingripande, med undantag för helikoptrar och elektroniska störningar. Väderfenomen är föremål för adiabatiska processer förknippade med massan av luftmassor och inte föremål för newtonsk mekanik, så fångstkriterierna används vanligtvis inte för väderradar. Puls-Doppler-signalbehandling eliminerar selektivt låghastighetsreflektioner så att det inte finns några detekteringar under tröskelhastigheten. Detta eliminerar terräng, väder, biologiska och mekaniska störningar, med undantag för lockelseflygplan. Måldopplersignalen från detektorn omvandlas från frekvensdomänen genom tidsdomänen till ljud för operatören i spårningsläge på vissa radarsystem. Operatören använder detta ljud för passiv målklassificering, såsom helikoptrar och elektroniska störningar.

Helikoptrar

Särskild uppmärksamhet måste ägnas flygplan med stora rörliga delar eftersom pulsdopplerradarn fungerar som en faslåst slinga. Bladspetsarna, som rör sig med nära ljudets hastighet, producerar den enda signal som kan upptäckas när helikoptern rör sig långsamt nära terrängen och väderfronten. Helikoptrar ser ut som snabbt pulserande buller, förutom i en ren miljö fri från störningar. En ljudsignal ges för att passivt identifiera typen av luftburet föremål. Mikrovågsdopplerfrekvensförskjutningen som orsakas av reflektorns rörelse faller inom området för mänskligt hörbart ljud (20-20 000 Hz), som används för målklassificering förutom konventionella radarskärmar och visas som A-band, B-band, C-band och RHI-indikator. Det mänskliga örat kan uppfatta skillnaden bättre än elektronisk utrustning.

Ett speciellt läge krävs eftersom Dopplerhastighetsåterkopplingsinformationen måste inaktiveras från den radiella rörelsen så att systemet kan övergå från avsökning till spår utan att fånga. Liknande metoder krävs för att erhålla spårinformation för störnings- och störsignaler som inte kan uppfylla infångningskriterierna.

Multimode

Puls-Doppler-radarn måste vara multi-mode för att spåra flygplanets svängnings- och korsningsbanor. I spårningsläge måste puls-dopplerradarn ha ett sätt att ändra dopplerfiltreringen i volymen av utrymmet som omger spåret när den radiella hastigheten faller under den lägsta detekteringshastigheten. Dopplerfilterjusteringen måste kopplas till radarns spårningsfunktion för att automatiskt justera Dopplerskifthastigheten i utrymmet runt banan. Spårningen kommer att stoppas utan denna funktion, eftersom målsignalen annars kommer att avvisas av dopplerfiltret när den radiella hastigheten närmar sig noll på grund av avsaknaden av frekvensändring. Flerlägesdrift kan också innefatta kontinuerlig vågbelysning för ett semiaktivt radarsöksystem.

Se även

Anteckningar

Länkar