Частота повторения импульсов

«Импульсов в секунду» перенаправляется сюда. Не путать с сигналом «Импульс в секунду» .

( Частота повторения импульсов PRF ) — это количество импульсов повторяющегося сигнала в определенную единицу времени. Этот термин используется в ряде технических дисциплин, особенно в радиолокации .

радиосигнал определенной несущей частоты В радаре включается и выключается ; термин «частота» относится к несущей, а PRF относится к количеству переключателей. Оба измеряются в циклах в секунду или герцах . PRF обычно намного ниже частоты. Например, типичный радар времен Второй мировой войны , такой как радар Type 7 GCI, имел базовую несущую частоту 209 МГц (209 миллионов циклов в секунду) и частоту повторения 300 или 500 импульсов в секунду. Связанной мерой является ширина импульса , время, в течение которого передатчик включен во время каждого импульса.

После создания короткого импульса радиосигнала передатчик выключается, чтобы приемные устройства могли обнаружить отражения этого сигнала от удаленных целей. Поскольку радиосигнал должен дойти до цели и обратно, требуемый период молчания между импульсами зависит от желаемой дальности действия радара. Для сигналов большей дальности требуются более длительные периоды, требующие более низких PRF. И наоборот, более высокие PRF обеспечивают меньшую максимальную дальность, но передают больше импульсов и, следовательно, радиоэнергии за заданное время. Это создает более сильные отражения, которые облегчают обнаружение. Радарные системы должны сбалансировать эти два конкурирующих требования.

При использовании более старой электроники PRF обычно фиксировались на определенном значении или могли переключаться между ограниченным набором возможных значений. Это дает каждой радиолокационной системе характерный PRF, который можно использовать в радиоэлектронной борьбе для идентификации типа или класса конкретной платформы, такой как корабль или самолет, или, в некоторых случаях, конкретного подразделения. Приемники радиолокационных предупреждений в самолетах включают библиотеку общих PRF, которые могут идентифицировать не только тип радара, но в некоторых случаях и режим работы. Это позволяло, например, предупреждать пилотов, когда батарея ЗРК SA-2 «заблокировалась». Современные радиолокационные системы, как правило, способны плавно изменять ЧПИ, ширину импульса и несущую частоту, что значительно затрудняет идентификацию.

Системы гидролокаторов и лидаров также имеют PRF, как и любая импульсная система. В случае гидролокатора термин «частота повторения импульсов » ( PRR более распространен ), хотя он относится к той же концепции.

Введение

Электромагнитные (например, радио или световые) волны представляют собой концептуально чистые одночастотные явления, в то время как импульсы математически можно рассматривать как состоящие из ряда чистых частот, которые суммируются и обнуляются во взаимодействиях, которые создают последовательность импульсов определенных амплитуд, PRR, базовых частот, фазовые характеристики и так далее (см. Анализ Фурье ). Первый термин (PRF) чаще встречается в технической литературе по устройствам ( электротехника и некоторые науки), а второй (PRR) чаще используется в военно-аэрокосмической терминологии (особенно в терминологии вооруженных сил США) и спецификациях оборудования, таких как обучение и технические руководства к радиолокационным и гидролокационным системам.

величина Обратная PRF (или PRR) называется временем повторения импульса ( PRT ), интервалом повторения импульсов ( PRI ) или периодом между импульсами ( IPP ), который представляет собой время, прошедшее от начала одного импульса до начала. следующего импульса. Термин IPP обычно используется для обозначения количества периодов PRT, подлежащих цифровой обработке. Каждый PRT имеет фиксированное количество ворот диапазона, но не все из них используются. Например, радар APY-1 использовал 128 IPP с фиксированными 50 стробами дальности, создавая 128 доплеровских фильтров с использованием БПФ. Разное количество ворот дальности на каждом из пяти PRF меньше 50.

В радиолокационной технологии PRF важен, поскольку он определяет максимальную дальность до цели ( R _max ) и максимальную доплеровскую скорость ( V _max ), которые могут быть точно определены радаром. И наоборот, высокий PRR/PRF может улучшить распознавание более близких объектов, таких как перископ или быстро движущаяся ракета. Это приводит к использованию низких PRF для поисковых радаров и очень высоких PRF для радаров управления огнем. Многие радары двойного назначения и навигационные радары, особенно военно-морские конструкции с переменными PRR, позволяют опытному оператору настраивать PRR для улучшения и уточнения радиолокационной картины, например, при плохом состоянии моря, когда волнение приводит к ложным отражениям, и в целом для уменьшения помех. или, возможно, лучший ответный сигнал от заметного объекта ландшафта (например, скалы).

Определение

Частота повторения импульсов (PRF) — это количество раз, когда импульсная активность возникает каждую секунду.

Это похоже на цикл в секунду, используемый для описания других типов сигналов.

PRF обратно пропорционален периоду времени $\mathrm {T}$ что является свойством импульсной волны.

$\mathrm {T} ={\frac {1}{\text{PRF}}}$

PRF обычно связан с интервалом между импульсами, который представляет собой расстояние, которое проходит импульс до появления следующего импульса.

${\text{Pulse Spacing}}={\frac {\text{Propagation Speed}}{\text{PRF}}}$

Физика

PRF имеет решающее значение для выполнения измерений определенных физических явлений.

Например, тахометр может использовать стробоскоп с регулируемой частотой повторения импульсов для измерения скорости вращения. PRF для стробоскопа регулируется вверх от низкого значения до тех пор, пока вращающийся объект не станет неподвижным. Тогда PRF тахометра будет соответствовать скорости вращающегося объекта.

Другие типы измерений включают измерение расстояния с использованием времени задержки отраженных эхо-импульсов света, микроволн и звуковых передач.

Измерение

PRF имеет решающее значение для систем и устройств, измеряющих расстояние.

• Радар
• Лазерный дальномер
• Сонар

Различные PRF позволяют системам выполнять совершенно разные функции.

Радиолокационная система использует радиочастотный электромагнитный сигнал, отраженный от цели, для определения информации об этой цели.

PRF необходим для работы радара . Это скорость, с которой импульсы передатчика отправляются в воздух или космос.

Неоднозначность диапазона

Реальная цель на 100 км или эхо второй развертки на расстоянии 400 км

Радарная система определяет дальность по временной задержке между передачей и приемом импульса по соотношению:

${\text{Range}}={\frac {c\tau }{2}}$

Для точного определения дальности импульс должен быть передан и отражен до передачи следующего импульса. Это приводит к максимальному однозначному пределу диапазона:

${\text{Max Range}}={\frac {c\tau _{\text{PRT}}}{2}}={\frac {c}{2\,{\text{PRF}}}}\qquad {\begin{cases}\tau _{\text{PRT}}={\frac {1}{\text{PRF}}}\end{cases}}$

Максимальная дальность также определяет неоднозначность дальности для всех обнаруженных целей. Из-за периодического характера импульсных радиолокационных систем некоторые радиолокационные системы не могут определить разницу между целями, разделенными целыми числами, кратными максимальной дальности, с использованием одной PRF. Более сложные радиолокационные системы позволяют избежать этой проблемы за счет использования нескольких PRF одновременно на разных частотах или на одной частоте с изменяющимся PRT.

Процесс разрешения неоднозначности диапазона используется для определения истинного диапазона, когда PRF превышает этот предел.

Низкий PRF

Системы, использующие PRF ниже 3 кГц, считаются низкими PRF, поскольку дальность прямого действия может быть измерена на расстоянии не менее 50 км. Радиолокационные системы, использующие низкую PRF, обычно обеспечивают однозначную дальность.

Однозначная допплеровская обработка становится все более сложной задачей из-за ограничений когерентности, поскольку частота PRF падает ниже 3 кГц.

Например, радар L-диапазона с частотой импульсов 500 Гц выдает неоднозначную скорость выше 75 м/с (170 миль/час), одновременно обнаруживая истинную дальность до 300 км. Эта комбинация подходит для радаров гражданских самолетов и метеорологических радаров .

${\text{300 km range}}={\frac {C}{2\times 500}}$

${\text{75 m/s velocity}}={\frac {500\times C}{2\times 10^{9}}}$

Радар с низким PRF имеет пониженную чувствительность при наличии низкоскоростных помех, которые мешают обнаружению самолетов вблизи местности. Индикатор движущейся цели обычно требуется для обеспечения приемлемых характеристик вблизи местности, но это приводит к проблемам с волнами радара , которые усложняют приемник. РЛС с низким PRF, предназначенные для обнаружения самолетов и космических аппаратов, сильно ухудшаются из-за погодных явлений, которые невозможно компенсировать с помощью индикатора движущейся цели.

Средний PRF

Дальность и скорость можно определить с помощью среднего PRF, но ни один из них нельзя определить напрямую. Средняя ЧПИ составляет от 3 кГц до 30 кГц, что соответствует дальности действия радара от 5 км до 50 км. Это неоднозначный диапазон, который намного меньше максимального диапазона. Разрешение неоднозначности дальности используется для определения истинной дальности в радаре со средней ЧПИ.

Средняя PRF используется с импульсно-доплеровским радаром , который необходим для возможности наблюдения/сбивания в военных системах. Возврат доплеровского радара обычно не является двусмысленным, пока скорость не превысит скорость звука.

метод, называемый разрешением неоднозначности Для определения истинной дальности и скорости требуется . Частота доплеровских сигналов находится в диапазоне от 1,5 до 15 кГц, что является слышимым, поэтому аудиосигналы радиолокационных систем со средней ЧПИ можно использовать для пассивной классификации целей.

Например, радиолокационная система L-диапазона , использующая ЧПИ 10 кГц с рабочим циклом 3,3%, может определить истинную дальность до расстояния 450 км (30 * C / 10 000 км/с). Это инструментальный диапазон . Однозначная скорость составляет 1500 м/с (3300 миль/час).

${\text{450 km}}={\frac {C}{0.033\times 2\times 10,000}}$

${\text{1,500 m/s}}={\frac {10,000\times C}{2\times 10^{9}}}$

Однозначная скорость радара L-диапазона с ЧПИ 10 кГц составит 1500 м/с (3300 миль/час) (10 000 x C / (2 x 10^9)). Истинную скорость можно определить для объектов, движущихся со скоростью менее 45 000 м/с, если полосовой фильтр пропускает сигнал (1500/0,033).

Средний PRF имеет уникальные проблемы с радиолокационными волнами , которые требуют избыточных схем обнаружения.

Высокий PRF

Системы, использующие PRF выше 30 кГц, более известны как радары с прерывистым непрерывным излучением (ICW), поскольку прямая скорость может быть измерена до 4,5 км/с в диапазоне L , но разрешение по дальности становится более трудным.

Высокий PRF ограничен системами, требующими высокой производительности, такими как бесконтактные взрыватели и радары правоохранительных органов .

Например, если во время фазы покоя между импульсами передачи берется 30 выборок с использованием частоты повторения импульсов 30 кГц, то истинная дальность может быть определена максимум до 150 км с использованием выборок в 1 микросекунду (30 x C / 30 000 км/с). Отражатели за пределами этого диапазона могут быть обнаружены, но истинный диапазон определить невозможно.

${\text{150 km}}={\frac {30\times C}{2\times 30,000}}$

${\text{4,500 m/s}}={\frac {30,000\times C}{2\times 10^{9}}}$

Становится все труднее брать несколько выборок между импульсами передачи на этих частотах импульсов, поэтому измерения дальности ограничиваются небольшими расстояниями.

Сонар

Системы гидролокации работают так же, как радары, за исключением того, что среда — жидкость или воздух, а частота сигнала — звуковая или ультразвуковая. Как и в случае с радаром, более низкие частоты распространяются относительно более высокие энергии на большие расстояния с меньшей разрешающей способностью. Более высокие частоты, которые затухают быстрее, обеспечивают повышенное разрешение близлежащих объектов.

Сигналы распространяются со скоростью звука в среде (почти всегда в воде), а максимальная ЧПИ зависит от размера исследуемого объекта. Например, скорость звука в воде составляет 1497 м/с, а толщина человеческого тела составляет около 0,5 м, поэтому ЧПИ для ультразвуковых изображений человеческого тела должна быть меньше примерно 2 кГц (1497/0,5).

Другой пример: глубина океана составляет примерно 2 км, поэтому звуку требуется около секунды, чтобы вернуться со дна моря. По этой причине сонар — очень медленная технология с очень низким PRF.

Лазер

Основная статья: лидар

Световые волны можно использовать в качестве радиолокационных частот, и в этом случае система называется лидаром. Это сокращение от «Light Detection And Ranging», что похоже на первоначальное значение инициализма «RADAR», которое означало «RAdio Detection And Ranging». Оба слова с тех пор стали широко используемыми английскими словами и поэтому представляют собой аббревиатуры, а не инициализмы.

Лазерные дальномеры или другие дальномеры световых сигналов работают так же, как радар, на гораздо более высоких частотах. Обнаружение нелазерного света широко используется в автоматизированных системах управления машинами (например, электрические глаза, управляющие воротами гаража, сортировочными воротами конвейера и т. д.), а те, которые используют обнаружение частоты пульса и дальнометрию, являются системами того же типа, что и радар — без наворотов человеческого интерфейса.

В отличие от более низких частот радиосигнала, свет не огибает кривую Земли и не отражается от ионосферы, как сигналы поискового радара C-диапазона, поэтому лидар полезен только в приложениях прямой видимости, таких как высокочастотные радиолокационные системы.

См. также

• Радар
• Импульсно-доплеровский радар
• Метеорологический радар