Радарная техника

Радарная техника — это разработка технических аспектов, касающихся компонентов радара и их способности обнаруживать обратную энергию от движущихся рассеивателей , определяя положение объекта или препятствия в окружающей среде. ^[1]^[2]^[3] Сюда входит поле зрения с точки зрения телесного угла и максимальной однозначной дальности и скорости, а также разрешение по углу, дальности и скорости. Радарные датчики классифицируются по применению, архитектуре, режиму радара, платформе и окну распространения.

Применения радара включают адаптивный круиз-контроль , автономное наведение при посадке, радиолокационный высотомер , управление воздушным движением , радар раннего предупреждения , радар управления огнем , предупреждение о столкновении , георадар , наблюдение и прогнозирование погоды .

Выбор архитектуры

Угол цели определяется путем сканирования поля зрения высоконаправленным лучом. Это делается электронным способом, с помощью фазированной антенной решетки , или механически путем вращения физической антенны . Излучатель и приемник могут находиться в одном месте, как в моностатических радарах , или быть разделены, как в бистатические радары . Наконец, излучаемая радиолокационная волна может быть непрерывной или импульсной. Выбор архитектуры зависит от используемых датчиков.

Сканирующая антенна

**Рис. 1** : Пассивная антенная решетка с электронным сканированием и моноимпульсной питающей сетью.

Решетка с электронным сканированием (ESA) или фазированная решетка имеет преимущества перед антеннами с механическим сканированием, такие как мгновенное сканирование луча, наличие нескольких одновременных маневренных лучей и одновременное использование режимов радара. Показателями качества ESA являются полоса пропускания , эффективная изотропно излучаемая мощность (EIRP) и коэффициент G _R /T, поле зрения. EIRP — это произведение усиления передачи GT _и мощности передачи P _T . G _R /T — частное коэффициента усиления приема и шумовой температуры антенны. Высокая ЭИИМ и G _R /T являются необходимым условием для обнаружения на большом расстоянии. Варианты дизайна:

Активный и пассивный : в активной решетке с электронным сканированием (AESA) каждая антенна подключена к модулю приема/передачи с твердотельным усилением мощности (SSPA). AESA имеет распределенное усиление мощности и обеспечивает высокую производительность и надежность, но стоит дорого. В пассивной матрице с электронным сканированием матрица подключена к одному модулю приема/передачи с устройствами вакуумной электроники (ВЭД). PESA имеет централизованное усиление мощности и обеспечивает экономию средств, но требует фазовращателей с низкими потерями.
Апертура : Апертура антенны радарного датчика является реальной или синтетической. Радарные датчики реального луча позволяют обнаруживать цели в реальном времени. Радар с синтезированной апертурой (SAR) обеспечивает угловое разрешение, превышающее реальную ширину луча, путем перемещения апертуры над целью и когерентного добавления эхо-сигналов.
Архитектура : Поле зрения сканируется высоконаправленными частотно-ортогональными (щелевой волновод), пространственно-ортогональными (переключаемые сети формирования диаграммы направленности) или ортогональными во времени лучами. ^[4]^[5]^[6] В случае ортогонального по времени сканирования луч ЭСА сканируется предпочтительно с применением прогрессивной временной задержки, $\Delta \tau$ , постоянная по частоте, вместо применения прогрессивного фазового сдвига, постоянная по частоте. Использование с истинной задержкой фазовращателей (TTD) позволяет избежать искажения луча в зависимости от частоты. Угол сканирования, $\theta$ , выражается как функция прогрессии фазового сдвига, $\beta$ , которая является функцией частоты и прогрессивной временной задержки, $\Delta \tau$ , который инвариантен с частотой:

k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau

\theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}

Обратите внимание, что $\theta$ не является функцией частоты. Постоянный сдвиг фазы по частоте также имеет важные применения, хотя и при синтезе широкополосных диаграмм. Например, генерация широкополосного моноимпульса $\Sigma /\Delta$ Схема приема зависит от сети подачи, которая объединяет два подмассива с использованием широкополосного гибридного соединителя .

Формирование луча : луч формируется в цифровой (цифровое формирование луча (DBF)), промежуточной частоты (ПЧ), оптической или радиочастотной (РЧ) области.
Конструкция : Массив с электронным сканированием представляет собой конструкцию из кирпичей, палочек, плиток или лотков. «Кирпичик и лоток» относится к подходу к построению, при котором радиочастотная схема интегрируется перпендикулярно плоскости массива. Tile, с другой стороны, относится к подходу к конструкции, при котором радиочастотная схема интегрируется на подложках, параллельных плоскости массива. Stick относится к подходу к построению, при котором радиочастотная схема подключается к линейному массиву в плоскости массива.
Сеть подачи : Сеть подачи ограничена (корпоративная, серийная) или космическая.
Сетка : сетка бывает периодической (прямоугольной, треугольной) или апериодической (утонченной).
Поляризация (антенна) : Поляризация наземных радиолокационных датчиков вертикальная, чтобы уменьшить многолучевое распространение ( угол Брюстера ). Радарные датчики также могут быть поляриметрическими для всепогодных применений.

FMCW против импульсного допплера

Дальность и скорость цели обнаруживаются с помощью дальности задержки импульса и эффекта Доплера ( импульсный доплеровский режим ) или с помощью частотной модуляции (FM) дальности и дифференциации дальности. Разрешение по дальности ограничено мгновенной полосой пропускания сигнала радарного датчика как в импульсно-доплеровских радарах, так и в радарах непрерывного действия с частотной модуляцией ( FMCW ). Моностатические моноимпульсно- доплеровские радиолокационные датчики имеют преимущества перед радарами FMCW, такие как:

Полудуплексный режим : импульсно-доплеровские радиолокационные датчики являются полудуплексными, а радиолокационные датчики FMCW — полнодуплексными. Следовательно, импульсный допплер обеспечивает более высокую изоляцию между передатчиком и приемником, значительно увеличивая динамический диапазон приемника (DR) и дальность обнаружения. Кроме того, антенна или решетка могут быть разделены по времени между передатчиком и приемником модуля T/R, тогда как для радаров FMCW требуются две антенны или решетки: одна для передачи и одна для приема. Недостатком полудуплексной работы является наличие слепой зоны в непосредственной близости от радиолокационного датчика. Таким образом, импульсно-доплеровские радиолокационные датчики больше подходят для обнаружения на большом расстоянии, а радиолокационные датчики FMCW больше подходят для обнаружения на близком расстоянии.
Моноимпульс : Схема моноимпульсной подачи, как показано на рис. 2, увеличивает угловую точность до доли ширины луча путем сравнения эхо-сигналов, которые исходят от одного излучаемого импульса и которые принимаются в двух или более параллельных и пространственно ортогональных лучах.
Сжатие импульсов : Сжатие импульсов изменяет соотношение ширины импульса и мгновенной полосы пропускания сигнала, которые в противном случае обратно пропорциональны. Ширина импульса связана со временем достижения цели, отношением сигнал/шум (SNR) и максимальной дальностью. Мгновенная полоса пропускания сигнала связана с разрешением по дальности.
Импульсно-доплеровская обработка : эхо-сигналы, возникающие в результате излучаемого пакета, преобразуются в спектральную область с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). В спектральной области стационарные помехи можно устранить, поскольку они имеют доплеровский сдвиг частоты, который отличается от доплеровского сдвига частоты движущейся цели. Дальность и скорость цели можно оценить с помощью увеличения отношения сигнал-шум благодаря когерентному интегрированию эхо-сигналов. ^[7]

Бистатический против моностатического

Бистатические радары имеют пространственно смещенные передатчик и приемник. В этом случае датчик в передающей антенне сообщает системе угловое положение сканирующего луча, в то время как датчики обнаружения энергии находятся на другой антенне. Синхронизация времени имеет решающее значение для интерпретации данных, поскольку антенна приемника не движется.

Моностатические радары имеют пространственно совмещенные передатчик и приемник. В этом случае излучение необходимо изолировать от приемных датчиков, поскольку излучаемая энергия намного превышает возвращаемую.

Платформа

на радаре Помехи зависят от платформы. Примерами платформ являются бортовые, автомобильные, корабельные, космические и наземные платформы.

Окно распространения

Частота радара выбирается исходя из соображений размера и уровня технологической готовности . Частота радара также выбирается для оптимизации радиолокационной эффективности (ЭПР) предполагаемой цели, которая зависит от частоты. Примерами окон распространения являются окна распространения 3 ГГц (S), 10 ГГц (X), 24 ГГц (K), 35 ГГц (Ka), 77 ГГц (W), 94 ГГц (W).

Режим радара

Режимы радара для точечных целей включают поиск и сопровождение. Режимы радара для распределенных целей включают картирование местности и получение изображений. Режим радара устанавливает форму сигнала радара .

См. также

Амплитудный моноимпульс для моноимпульса сравнения амплитуд
Фазовая интерферометрия для моноимпульса фазового сравнения

Ссылки

^ Г.В. Стимсон: «Введение в бортовой радар, 2-е изд.», SciTech Publishing, 1998 г.
^ П. Лакомм, Ж.-П. Харданж, Ж.-К. Марше, Э. Нормант: «Воздушные и космические радиолокационные системы: введение», IEE, 2001 г.
^ М. И. Скольник: «Введение в радиолокационные системы, 3-е изд.», McGraw-Hill, 2005 г.
^ Р. Дж. Майу: «Справочник по антенным решеткам с фазированной решеткой», Artech House, 2005 г.
^ Э. Брукнер: «Практические антенные системы с фазированной решеткой», Artech House, 1991.
^ RC Хансен: «Антенны с фазированной решеткой», John Wiley & Sons, 1998.
^ А. Ладлофф: «Практические знания в области радиолокации и обработки радиолокационных сигналов, 2-е издание», Технические книги Viewegs по технологиям, 1998 г.

[1] Г.В. Стимсон: «Введение в бортовой радар, 2-е изд.», SciTech Publishing, 1998 г.

[2] П. Лакомм, Ж.-П. Харданж, Ж.-К. Марше, Э. Нормант: «Воздушные и космические радиолокационные системы: введение», IEE, 2001 г.

[3] М. И. Скольник: «Введение в радиолокационные системы, 3-е изд.», McGraw-Hill, 2005 г.

[4] Р. Дж. Майу: «Справочник по антенным решеткам с фазированной решеткой», Artech House, 2005 г.

[5] Э. Брукнер: «Практические антенные системы с фазированной решеткой», Artech House, 1991.

[6] RC Хансен: «Антенны с фазированной решеткой», John Wiley & Sons, 1998.

[7] А. Ладлофф: «Практические знания в области радиолокации и обработки радиолокационных сигналов, 2-е издание», Технические книги Viewegs по технологиям, 1998 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]