Radar monopulsowy - Monopulse radar
Radar monopulsowy to system radarowy , który wykorzystuje dodatkowe kodowanie sygnału radiowego w celu zapewnienia dokładnych informacji o kierunku. Nazwa odnosi się do jego zdolności do wydobywania zasięgu i kierunku z pojedynczego impulsu sygnału.
Radar monopulsowy pozwala uniknąć problemów obserwowanych w stożkowych systemach radarowych skanujących , które mogą być mylone z powodu szybkich zmian siły sygnału . System utrudnia również zagłuszanie . Większość radarów projektowanych od lat 60. to systemy monopulsowe. Metodę monopulsową stosuje się również w systemach pasywnych, takich jak elektroniczne środki wspomagające i radioastronomia . Radary Monopulse może być wykonana z anten reflektora , anteny soczewki lub antenach macierzowych .
Historycznie, systemy monopulsowe były klasyfikowane jako monopulsy do porównania faz lub monopulsy amplitudy . Nowoczesne systemy określają kierunek na podstawie stosunku monoimpulsów, które zawierają zarówno informacje o amplitudzie, jak i fazie. Metoda monopulsowa nie wymaga, aby mierzone sygnały były impulsowe. Zaproponowano więc alternatywną nazwę „symultaniczny lobbing”, ale nie została ona spopularyzowana.
Tło
Skanowanie stożkowe
Skanowanie stożkowe nie jest uważane za rodzaj radaru monopulsowego, ale poniższe podsumowanie dostarcza informacji, które mogą pomóc w zrozumieniu.
Stożkowe systemy skanujące wysyłają sygnał nieco po jednej stronie celownika anteny , a następnie obracają tubę podającą , aby płatek obracał się wokół linii celowniczej. Cel wyśrodkowany na celowniku jest zawsze lekko oświetlony przez płat i zapewnia silny zwrot. Jeśli cel znajduje się z jednej strony, zostanie oświetlony tylko wtedy, gdy płatek jest skierowany w tym ogólnym kierunku, co skutkuje ogólnie słabszym sygnałem (lub miganiem, jeśli obrót jest wystarczająco wolny). Ten zmienny sygnał osiągnie maksimum, gdy antena zostanie obrócona tak, aby była ustawiona w kierunku celu.
Szukając tego maksimum i przesuwając antenę w tym kierunku, cel może być automatycznie śledzony. Jest to znacznie ułatwione dzięki zastosowaniu dwóch anten, ustawionych pod lekkim kątem w obie strony celownika. Śledzenie można osiągnąć, porównując sygnał z dwóch anten w prostej elektronice, w przeciwieństwie do poszukiwania maksymalnego punktu w okresie obrotu anteny.
Jednym z problemów związanych z tym podejściem jest to, że sygnały radarowe często zmieniają amplitudę z powodów, które nie mają nic wspólnego z położeniem wiązki. Na przykład w ciągu kilku dziesiątych sekund zmiany kierunku celu, chmury deszczowe i inne problemy mogą dramatycznie wpłynąć na zwracany sygnał. Ponieważ stożkowe systemy skanowania zależą od wzrostu lub osłabienia sygnału tylko ze względu na położenie celu względem wiązki, takie zmiany w odbitym sygnale mogą powodować „pomieszanie” położenia celu w obszarze skanowania wiązki.
Zakleszczenie skanera stożkowego jest również stosunkowo łatwe. Zagłuszacz musi po prostu wysyłać sygnały na częstotliwości radaru z wystarczającą siłą, aby myślał, że to najsilniejszy powrót. W takim przypadku seria losowych krótkich impulsów sygnału wydaje się być serią celów w różnych miejscach wiązki. Tego rodzaju zagłuszanie może być bardziej efektywne poprzez taktowanie sygnałów tak, aby były takie same jak prędkość obrotowa przekazu, ale nadawane z niewielkim opóźnieniem, co skutkuje drugim silnym szczytem w wiązce, bez żadnego rozróżnienia tych dwóch. Tego typu zakłócacze zostały wdrożone dość wcześnie. Brytyjczycy używali ich podczas II wojny światowej przeciwko niemieckiemu radarowi stożkowemu Würzburga .
Opis
Podstawy monopulsów
Radary monopulsowe są w ogólnej konstrukcji podobne do stożkowych systemów skanujących, ale dzielą wiązkę na części, a następnie wysyłają dwa powstałe sygnały z anteny w nieco innych kierunkach. Po odebraniu odbitych sygnałów są one osobno wzmacniane i porównywane ze sobą, wskazując, który kierunek ma silniejszy zwrot, a tym samym ogólny kierunek celu względem namiaru. Ponieważ to porównanie jest przeprowadzane podczas jednego impulsu, który zwykle trwa kilka mikrosekund, zmiany pozycji docelowej lub kursu nie będą miały wpływu na porównanie.
Dokonanie takiego porównania wymaga odróżnienia od siebie różnych części belki. Zwykle osiąga się to poprzez podzielenie impulsu na dwie części i polaryzację każdej z nich oddzielnie przed wysłaniem go do zestawu rogów podających nieco poza osią. Skutkuje to zestawem płatów, zwykle dwóch, zachodzących na siebie na celowniku. Płaty te są następnie obracane jak w normalnym skanerze stożkowym. Po odbiorze sygnały są ponownie rozdzielane, a następnie jeden sygnał jest odwracany pod względem mocy, a następnie dwa są sumowane ( na obrazie). Jeśli cel znajduje się po jednej stronie celownika, otrzymana suma będzie dodatnia, jeśli po drugiej stronie, ujemna.
Jeśli listki są rozmieszczone blisko siebie, sygnał ten może zapewnić wysoki stopień dokładności wskazywania w wiązce, zwiększając naturalną dokładność stożkowego systemu skanowania. Podczas gdy klasyczne systemy skanowania stożkowego generują dokładność wskazywania rzędu 0,1 stopnia, radary monopulsowe generalnie poprawiają ją o współczynnik 10, a zaawansowane radary śledzące, takie jak AN/FPS-16, mają dokładność 0,006 stopnia. Jest to dokładność około 10 m na dystansie 100 km.
Odporność na zakleszczenie jest znacznie lepsza w porównaniu ze skanowaniem stożkowym. Filtry można wstawić, aby usunąć każdy sygnał, który jest albo niespolaryzowany, albo spolaryzowany tylko w jednym kierunku. Aby pomylić taki system, sygnał zagłuszający musiałby powielić polaryzację sygnału oraz taktowanie, ale ponieważ samolot odbiera tylko jeden płat, określenie dokładnej polaryzacji sygnału jest trudne. W przeciwieństwie do systemów monopulsowych, ECM generalnie ucieka się do nadawania białego szumu, aby po prostu oślepiać radar, zamiast próbować generować fałszywe zlokalizowane sygnały zwrotne.
Wdrożenie do anten reflektorowych
Anteny monopulsowe wytwarzają sygnał sumaryczny i dwa sygnały delta. Pozwala to na wykonanie pomiaru kątowego za pomocą pojedynczego impulsu odbiorczego. Sygnał sumy zwykle przechodzi z powrotem w dół falowodu używanego do wysyłania impulsu nadawczego. Dwa sygnały delta to elewacja (góra-dół) i trawers (lewo-prawo).
Sygnał sumaryczny odpowiada wiązce antenowej wzdłuż linii środkowej anteny. Sygnały delta to pary wiązek, które sąsiadują z linią środkową wiązki anteny sumy. Pomiary wiązki delta dają wartości dodatnie lub ujemne w zależności od ćwiartki.
| Kwadranty | Lewo | Dobrze |
|---|---|---|
| W górę | Kwadrant II: +ΔEl −ΔAz | Kwadrant I: +ΔEl +ΔAz |
| W dół | Kwadrant III: −ΔEl −ΔAz | Kwadrant IV: −ΔEl +ΔAz |
Sygnał sumaryczny jest tworzony przez konstrukcję tuby zasilającej umieszczoną tak, aby zmaksymalizować sygnał w środku wiązki anteny. Sygnały delta RF są tworzone przez pary tub podających anteny umieszczone w sąsiedztwie tuby podającej sumę (sygnał tuby podającej sumę nie pokazano na rysunku). Sygnały wyjściowe każdej pary rogów zasilających delta są sumowane, co daje zerowy sygnał wyjściowy, gdy przychodzący sygnał RF znajduje się w środku wiązki anteny. Siła sygnału z każdej wiązki delta wzrasta, gdy samolot oddala się od linii środkowej anteny.
W przypadku pokazanego obrazu falowodu, poziomo spolaryzowany sygnał RF dociera do dwóch rogów zasilających, aby wytworzyć sygnał delta lewy/prawy. Energia przychodząca z czoła fali RF jest wysyłana do obu tub falowodowych. Sygnał RF z obu promienników wędruje w górę falowodu, gdzie łączą się sygnały z lewego i prawego promiennika. Sumator wykonuje matematyczne odejmowania sygnałów elektrycznych płynących z tub. To odejmowanie daje sygnał delta. Podobna konfiguracja tuby zasilającej jest używana do wytwarzania sygnału delta góra/dół (nie pokazano). Zespół falowodu może być używany samodzielnie. W przypadku anteny o dużym wzmocnieniu zespół tuby zasilającej znajduje się naprzeciwko powierzchni odbijającej w punkcie ogniskowym lub w jego pobliżu.
W przypadku pokazanego obrazu falowodu sygnał sumaryczny byłby tworzony przez pojedynczy promiennik falowodu wyśrodkowany między dwoma pokazanymi promiennikami.
Sygnały o częstotliwości radiowej sumy i delta są konwertowane na niższą częstotliwość w odbiorniku, w którym odbywa się próbkowanie. Procesor sygnału wytwarza sygnał błędu za pomocą tych próbek.
Wartość + lub - dla każdego sygnału delta jest tworzona przez przesunięcie fazy o 0 stopni lub 180 stopni w porównaniu z sygnałem sumy. Sygnał kalibracyjny jest wprowadzany do ścieżki odbiorczej, gdy radar jest w stanie bezczynności, co powoduje znane przesunięcie fazowe między różnymi ścieżkami sygnału mikrofalowego (tryb spoczynku).
Błąd kąta jest tworzony z sygnału delta przez wykonanie złożonego współczynnika. Odbywa się to dla belek delta lewo/prawo, a także dla belek delta góra/dół (dwa proporcje). Wyjaśnienie, w jaki sposób części rzeczywiste i urojone są używane w RADAR, można znaleźć w opisie dopplera impulsowego .
Wynikiem jest podpisany numer . Wynikiem procesu kalibracji jest obrót złożonego wektora błędu kąta anteny na osi rzeczywistej w celu zmniejszenia strat przetwarzania sygnału.
Błąd kąta jest używany do dostosowania położenia celu wzdłuż linii środkowej anteny. W radarze sterowanym mechanicznie błąd kąta pionowego napędza silnik, który przesuwa antenę w górę lub w dół, a błąd kąta poziomego napędza silnik, który kieruje anteną w lewo lub w prawo. W przypadku pocisku błąd kąta jest sygnałem wejściowym do systemu naprowadzania, który ustawia płetwy naprowadzające, które obracają korpus pocisku tak, że cel znajduje się w linii środkowej anteny.
Koło, lustro i światło mogą być użyte do wizualizacji rzeczywistości i urojeń opisanych w tym równaniu. Lusterko jest umieszczone pod kątem 45 stopni nad kierownicą, dzięki czemu można jednocześnie widzieć przód i górę koła. Lampka jest przymocowana do koła, dzięki czemu można je zobaczyć, gdy światła w pomieszczeniu są wyłączone. Siedzisz bezpośrednio przed kierownicą, podczas gdy przyjaciel obraca kierownicą. Widok przodu koła (rzeczywisty) i góry koła (wyobrażony) informuje o położeniu koła.
Pary wartości rzeczywistych i urojonych tworzą liczbę zespoloną wyjaśnioną jako części rzeczywiste i urojone .
Kalibracja dynamiczna jest potrzebna w przypadku długich przebiegów falowodu między anteną a pierwszym konwerterem w dół (patrz Odbiornik Superheterodynowy ). Kompensuje to zmiany temperatury, które zmieniają rozmiar i długość falowodu, co powoduje zmiany fazy, które generują nieprawidłowe sygnały błędu kąta dla długich przebiegów falowodu. Termin Cal jest tworzony przez wprowadzenie sygnału kalibracyjnego do falowodu odbiorczego, gdy system nie jest aktywny (suma i delta). Błąd kątowy sygnału kalibracyjnego służy do oceny błędu kątowego podczas normalnej pracy. Strojenie anteny służy do wprowadzania regulacji, które tworzą pożądany sygnał błędu, gdy antena jest kalibrowana w zakresie anteny.
Gdy bieg falowodu jest krótki między anteną a odbiornikiem, sygnał kalibracyjny można pominąć, a okres kalibracji można ustawić na stałą wartość. Stała wartość może być również przechowywana dla systemów z długimi przebiegami falowodów, aby umożliwić pogorszoną pracę, gdy nie można przeprowadzić kalibracji RF. Zespół falowodu może wymagać dostrojenia za pomocą zakresu anteny, aby uzyskać spójne wyniki.
Wdrożenie dla anten macierzowych
Antena czterokwadrantowa składa się z czterech podmacierzy. Podtablice są oddzielone odległością d . Kąt θ (w elewacji lub azymucie) jest szacowany na podstawie stosunku monopulsów, który jest stosunkiem sygnału różnicowego do sygnału sumy. Równanie estymacji jest podane przez:
Wyprowadzenie bardziej ogólnej postaci tego równania przedstawiono w.
Pozycjonowanie anteny
Systemy śledzenia generują stałe informacje o pozycji statku powietrznego, a pozycja anteny jest częścią tych informacji. Sygnały błędu anteny są wykorzystywane do tworzenia informacji zwrotnych w ramach systemu RADAR, który może śledzić samoloty.
Sygnał poziomy i sygnał pionowy wytworzony z próbek RF anteny są nazywane błędami kątowymi. Te sygnały błędu kąta wskazują odległość kątową między środkiem wiązki anteny a pozycją samolotu w wiązce anteny.
W przypadku anteny sterowanej mechanicznie sygnał poziomy i sygnał pionowy są wykorzystywane do wytworzenia sygnału sterującego, który wytwarza moment obrotowy dla dwóch silników pozycjonujących antenę. Jeden silnik przesuwa antenę w lewo/w prawo. Drugi silnik napędza antenę w górę/w dół. Rezultatem jest przesunięcie pozycji anteny tak, aby środek wiązki antenowej pozostawał skierowany bezpośrednio na samolot, nawet gdy samolot porusza się prostopadle do wiązki antenowej.
W przypadku śledzenia podczas skanowania radaru pozycja i prędkość są utrzymywane dla wielu samolotów. Ostatnia pozycja samolotu jest wybiegana przy użyciu prędkości, a ta informacja jest wykorzystywana do kierowania wiązki energii w kierunku samolotu. Otrzymane informacje o błędach kąta monoimpulsu są wykorzystywane do dostosowania danych pozycji i prędkości samolotu. Jest to powszechny tryb w systemach radarowych z układem fazowanym .
Amplituda-Comparison Monopulse wyjaśnia sygnały antenowe biorące udział w tym procesie.
Dopplera
Efekt Dopplera można wykorzystać do oddzielenia różnych obiektów na podstawie prędkości. Przetwarzanie sygnału impulsowego radaru Dopplera wykorzystuje tę technikę. Jest to połączone ze skanowaniem stożkowym lub monopulsem w celu poprawy niezawodności toru. Konieczne jest oddzielenie sygnału obiektu od zakłóceń, aby uniknąć oderwania od obiektu. Pozwala to uniknąć problemów, w których system jest oszukiwany przez samoloty lecące zbyt blisko powierzchni ziemi lub samoloty przelatujące przez chmury.
Anteny stożkowe i monopulsowe są podatne na zakłócenia od zjawisk atmosferycznych i obiektów nieruchomych. Powstałe zakłócenia mogą generować sygnały zwrotne, które odsuwają wiązkę anteny od samolotu. Może to powodować niepewną pozycję anteny, gdy antena jest skierowana zbyt blisko ziemi lub zbyt blisko złej pogody. Systemy bez trybu śledzenia Pulse Doppler mogą pozostać nakierowane na nieistotne obiekty, takie jak drzewa lub chmury. Ciągła uwaga operatora jest wymagana, gdy nie ma przetwarzania sygnału Dopplera.
Historia
Radar monopulsowy był niezwykle „zaawansowany technologicznie”, gdy został po raz pierwszy wprowadzony przez Roberta M. Page w 1943 roku w eksperymencie Naval Research Laboratory . W rezultacie był bardzo drogi, pracochłonny ze względu na złożoność i mniej niezawodny. Był używany tylko wtedy, gdy potrzebna była ekstremalna dokładność, która uzasadniała koszt. Wczesne zastosowania obejmowały pocisk Nike Ajax , który wymagał bardzo wysokiej dokładności, lub do śledzenia radarów używanych do pomiaru różnych startów rakiet . Pierwszym na świecie jednopulsowym radarem powietrznym był brytyjski Ferranti, zaprojektowany przez Ferrantiego, system AIRPASS , który wszedł do służby w 1960 roku na pokładzie samolotu przechwytującego English Electric Lightning RAF. Wczesnym rozwojem radaru monopulsowego, w 1958 r., był AN/FPS-16 , nad którym współpracowali NRL i RCA. Najwcześniejsza wersja, XN-1, wykorzystywała soczewkę metalową. Druga wersja XN-2 wykorzystywała konwencjonalną antenę paraboliczną o długości 3,65 metra (12 stóp) i była wersją, która trafiła do produkcji. Radary te odegrały ważną rolę w misjach Mercury, Gemini i wczesnych Apollo, rozmieszczonych w tym celu między innymi na Bermudach, Tannarive i Australii. Modyfikacja IRACQ [Increased Range ACQuisition] została zainstalowana na niektórych z tych instalacji; z pewnością ten znajdujący się w Woomera w Australii był tak zmodyfikowany. Jednym z większych instalacjach pierwszy pojawił się w 1970 roku jako US Navy „s AN / SPY-1 radar używany na Aegis Combat System , a MK-74 radar używany na Tartar pocisk kierowany Straży systemu kontroli i badań. Koszt i złożoność implementacji śledzenia monoimpulsowego zostały zmniejszone, a niezawodność wzrosła, gdy cyfrowe przetwarzanie sygnału stało się dostępne po latach 70. XX wieku. Technologię tę można znaleźć w większości nowoczesnych radarów śledzących i wielu rodzajach uzbrojenia jednorazowego użytku, takich jak pociski.