Radar s kontinuálními vlnami - Continuous-wave radar

přenášená
energie
zpětně rozptýlenou energii,
obsahující mnoho informací
o zpětném rozptylu
Princip měření pomocí radaru s kontinuálními vlnami

Radar s kontinuálními vlnami (CW radar) je typ radarového systému, kde se přenáší a poté přijímá ze všech odrážejících objektů známá rádiová energie s kontinuální vlnou o stabilní frekvenci . Jednotlivé objekty lze detekovat pomocí Dopplerova jevu , který způsobuje, že přijímaný signál má jinou frekvenci než vysílaný signál, což umožňuje jeho detekci odfiltrováním vysílané frekvence.

Dopplerova analýza návratů radaru může umožnit odfiltrování pomalých nebo nepohybujících se objektů, čímž nabízí odolnost proti rušení od velkých stacionárních objektů a pomalu se pohybujícího nepořádku . Díky tomu je obzvláště užitečné například hledat objekty na pozadí reflektoru, což umožňuje letadlu s vysokým letem hledat letadla letící v nízké nadmořské výšce na pozadí povrchu. Protože lze odfiltrovat velmi silný odraz od povrchu, lze stále vidět mnohem menší odraz od cíle.

CW radarové systémy se používají na obou koncích spektra rozsahu.

  • Levná radiovýškoměry, senzory přiblížení a sportovní doplňky, které fungují od několika desítek stop do několika kilometrů
  • Nákladný radar včasného varování CW úhel (CWAT) pracující více než 100 km pro použití s ​​raketovými systémy země-vzduch

Úkon

Hlavní výhodou CW radaru je to, že energie není pulzována, takže výroba a provoz jsou mnohem jednodušší. Nemají žádný minimální ani maximální dosah, i když úroveň vysílacího výkonu prakticky omezuje dosah. Radar s kontinuálními vlnami maximalizuje celkový výkon v cíli, protože vysílač nepřetržitě vysílá.

Armáda používá radar s kontinuálními vlnami k vedení semi-aktivních radarových naváděcích (SARH) raket typu vzduch-vzduch , jako je americký AIM-7 Sparrow a rodina raket Standard . Startovací letoun osvětluje cíl radarovým signálem CW a raketové domy se odrážejí na odražených rádiových vlnách . Protože se raketa pohybuje vysokou rychlostí vzhledem k letadlu, dochází k silnému Dopplerovu posunu. Většina moderních leteckých bojových radarů, dokonce i pulzní Dopplerovy soupravy, má funkci CW pro účely navádění raket.

Maximální vzdálenost v radaru s kontinuálními vlnami je určena celkovou šířkou pásma a výkonem vysílače. Tato šířka pásma je určena dvěma faktory.

  • Hustota přenosu energie (wattů na Hertz)
  • Velikost filtru přijímače (šířka pásma vydělená celkovým počtem filtrů)

Zdvojnásobení vysílacího výkonu zvyšuje výkon na vzdálenost přibližně o 20%. Snížení celkového vysílacího šumu FM o polovinu má stejný účinek.

Přijímače ve frekvenční doméně používané pro Dopplerovy radarové přijímače s kontinuální vlnou se velmi liší od konvenčních radarových přijímačů. Přijímač se skládá z banky filtrů, obvykle více než 100. Počet filtrů určuje maximální výkon na vzdálenost.

Zdvojnásobení počtu filtrů přijímače zvyšuje výkon na vzdálenost přibližně o 20%. Maximálního výkonu na dálku je dosaženo, když se velikost filtru přijímače rovná maximálnímu šumu FM při přenosu signálu. Snížení velikosti filtru přijímače pod průměrné množství vysílacího šumu FM nezlepší výkon dosahu.

CW radar se říká, že se shoduje, když velikost filtru přijímače odpovídá šířce pásma RMS šumu FM na vysílaném signálu.

Typy

Existují dva typy radarů s kontinuálními vlnami: nemodulované kontinuální vlny a modulované kontinuální vlny .

Nemodulované spojité vlny

Změna vlnové délky způsobená pohybem zdroje

Tento druh radaru může stát méně než 100 $ (2012). Zpětné frekvence jsou posunuty od vysílané frekvence na základě Dopplerova jevu, když se objekty pohybují. Nelze hodnotit vzdálenost. Tento typ radaru se obvykle používá u soutěžních sportů, jako je golf, tenis, baseball a závody NASCAR .

Změna Dopplerovy frekvence závisí na rychlosti světla ve vzduchu ( c '≈ c / 1 0003 je o něco pomalejší než ve vakuu) a v rychlost cíle:

Dopplerova frekvence je tedy:

Vzhledem k tomu, že obvyklá změna rychlosti cílů radaru je mnohem menší než , je možné zjednodušit pomocí  :

Radar s kontinuální vlnou bez frekvenční modulace (FM) detekuje pouze pohybující se cíle, protože stacionární cíle (podél přímky ) nezpůsobí Dopplerův posun. Odražené signály od stacionárních a pomalu se pohybujících objektů jsou maskovány vysílaným signálem, který při normálním provozu potlačuje odrazy od pomalu se pohybujících objektů.

Modulovaná spojitá vlna

Frekvenčně modulovaný radar s kontinuální vlnou (FM-CW) - nazývaný také radar s frekvenční modulací s kontinuální vlnou (CWFM) - je radarová sada pro měření krátkého dosahu, která dokáže určit vzdálenost. To zvyšuje spolehlivost poskytováním měření vzdálenosti spolu s měřením rychlosti, což je zásadní, když na anténu radaru přichází více než jeden zdroj odrazu. Tento druh radaru se často používá jako „ radarový výškoměr “ k měření přesné výšky během přistávacího postupu letadla. Používá se také jako radar včasného varování, vlnový radar a senzory přiblížení. Dopplerův posun není vždy nutný pro detekci, když se používá FM. Zatímco časné implementace, jako například radarový výškoměr APN-1 ze 40. let, byly navrženy pro krátké vzdálenosti, radary Over The Horizon (OTHR), jako je Jindalee Operational Radar Network (JORN), jsou určeny k průzkumu mezikontinentálních vzdáleností několika tisíc kilometrů .

V tomto systému se přenášený signál známé stabilní frekvenční kontinuální vlny mění po určitou dobu na frekvenci nahoru a dolů modulačním signálem. Frekvenční rozdíl mezi přijímaným signálem a vysílaným signálem se zvyšuje se zpožděním, a tedy se vzdáleností. To rozmazává nebo rozmazává dopplerovský signál. Ozvěny od cíle jsou poté smíchány s vysílaným signálem, aby se vytvořil rytmický signál, který po demodulaci poskytne vzdálenost cíle.

Jsou možné různé modulace, frekvence vysílače se může otáčet nahoru a dolů následujícím způsobem:

Rozsah demodulace je omezen na 1/4 vlnové délky vysílací modulace. Dosah podle přístrojů pro 100 Hz FM by byl 500 km. Tento limit závisí na typu modulace a demodulace. Obecně platí následující.

Radar bude hlásit nesprávnou vzdálenost pro odrazy od vzdáleností nad rozsah přístrojů, například od měsíce. Měření rozsahu FMCW jsou spolehlivá pouze na přibližně 60% rozsahu podle přístrojů, nebo přibližně 300 km pro 100 Hz FM.

Pilová frekvenční modulace

Rozsah s radarovým systémem FM-CW: pokud lze ignorovat chybu způsobenou možnou Dopplerovou frekvencí a výkon vysílače je lineárně frekvenčně modulován, pak je časové zpoždění ( ) úměrné rozdílu vysílaného a přijímaného signálu ( ) kdykoliv.

Modulace pilového zubu je nejpoužívanější v radarech FM-CW, kde je požadovaný dosah pro objekty, které nemají rotující části. Pomocí této techniky se informace o dosahu mísí s Dopplerovou rychlostí. Modulaci lze vypnout na alternativních skenech k identifikaci rychlosti pomocí nemodulovaného nosného kmitočtového posunu. To umožňuje nalezení dosahu a rychlosti s jednou sadou radarů. K dosažení stejného cíle lze použít modulaci trojúhelníkových vln.

Jak je znázorněno na obrázku, přijatý tvar vlny (zelená) je jednoduše zpožděnou replikou vysílaného tvaru vlny (červená). Vysílaná frekvence se používá k převodu přijímaného signálu na základní pásmo a velikost časového posunu mezi vysílaným signálem a odraženým signálem se zvyšuje s časovým zpožděním (vzdáleností). Časové zpoždění je tedy měřítkem rozsahu; malé frekvenční rozpětí je produkováno blízkými odrazy, větší frekvenční rozpětí odpovídá většímu časovému zpoždění a delšímu rozsahu.

S příchodem moderní elektroniky se pro většinu detekčních zpracování používá digitální zpracování signálu . Signály rytmu jsou předávány analogově-digitálním převodníkem a na výsledku se provádí digitální zpracování. Jak je vysvětleno v literatuře, rozsah FM-CW pro lineární průběh rampy je uveden v následující sadě rovnic:

kde je množství zametání frekvence radaru a je čas na dokončení zametání frekvence.

Poté přeuspořádejte užitečnější:

, kde je doba zpáteční rychlosti energie radaru.

Potom je triviální záležitostí vypočítat fyzickou jednosměrnou vzdálenost pro idealizovaný typický případ jako:

kde je rychlost světla v jakémkoli průhledném médiu s indexem lomu n (n = 1 ve vakuu a 1 0003 pro vzduch).

Z praktických důvodů nejsou přijímané vzorky zpracovávány po krátkou dobu po začátku modulační rampy, protože příchozí odrazy budou mít modulaci z předchozího modulačního cyklu. To ukládá limit rozsahu a omezuje výkon.

Modulace sinusové frekvence

Animace zvukových, AM a FM signálů
Sinusová FM modulace identifikuje rozsah měřením rozsahu šíření spektra produkovaného zpožděním šíření (AM se u FMCW nepoužívá).

Sinusový FM se používá, když je u komplexních objektů s více pohyblivými částmi, jako jsou lopatky ventilátoru turbíny, lopatky vrtulníku nebo vrtule, vyžadován současně dosah i rychlost. Toto zpracování snižuje účinek komplexní modulace spektra produkované rotujícími částmi, které zavádějí chyby do procesu měření rozsahu.

Tato technika má také tu výhodu, že přijímač nikdy nemusí zastavit zpracování příchozích signálů, protože modulační křivka je spojitá bez impulzní modulace.

Sinusový FM je přijímačem zcela eliminován pro blízké odrazy, protože vysílací frekvence bude stejná jako frekvence odrážená zpět do přijímače. Spektrum pro vzdálenější objekty bude obsahovat více modulace. Velikost šíření spektra způsobená modulací na přijímacím signálu je úměrná vzdálenosti od odrážejícího objektu.

Vzorec časové domény pro FM je:

kde (modulační index)

Při přenosu mezi radarem a reflektorem se zavádí časové zpoždění.

kde časové zpoždění

Proces detekce dolů převádí přijímaný signál pomocí vysílacího signálu. To vylučuje nosič.

V této rovnici lze vidět Carsonovo pravidlo šířky pásma , a to je blízké přiblížení k identifikaci množství rozptylu umístěného na přijímaném spektru:

Demodulace přijímače se používá u FMCW podobně jako demodulační strategie přijímače používaná při kompresi pulzů. K tomu dochází před zpracováním detekce Dopplerova CFAR . Z praktických důvodů je zapotřebí velký index modulace.

Praktické systémy zavádějí reverzní FM na přijímaný signál pomocí digitálního zpracování signálu, než se k výrobě spektra použije rychlý proces Fourierovy transformace . To se opakuje s několika různými hodnotami demodulace. Dosah je určen identifikací přijímaného spektra, kde je šířka minimální.

Praktické systémy také zpracovávají příjem vzorků pro několik cyklů FM, aby se snížil vliv artefaktů vzorkování.

Konfigurace

Blokové schéma jednoduchého modulu radaru s kontinuálními vlnami: Mnoho výrobců nabízí takové moduly transceiveru a přejmenovávají je na „Dopplerovy radarové senzory“

U radarů s kontinuálními vlnami se používají dvě různé konfigurace antén: monostatický radar a bistatický radar .

Monostatické

Anténa pro příjem radaru je umístěna poblíž radarové vysílací antény v monostatickém radaru .

Pro zvýšení citlivosti v praktických systémech je obvykle nutné použít nulový průchod, aby se eliminoval průnik mezi vysílačem a přijímačem. To se obvykle používá u radarových přijímačů s kontinuálním sledováním úhlu vln (CWAT), které jsou interoperabilní s raketovými systémy země -vzduch .

Lze použít přerušovanou kontinuální vlnu k eliminaci propouštění mezi vysílací a přijímací anténou. Tento druh systému obvykle odebírá jeden vzorek mezi každou dvojicí vysílacích impulzů a vzorkovací frekvence je obvykle 30 kHz nebo více. Tato technika se používá u nejlevnějších druhů radarů, jako jsou ty, které se používají pro monitorování provozu a sport.

Radary FM-CW lze postavit s jednou anténou pomocí oběhového čerpadla nebo kruhové polarizace.

Bistatic

Radarová přijímací anténa je umístěna daleko od radarové vysílací antény v bistatickém radaru . Vysílač je poměrně drahý, zatímco přijímač je poměrně levný a jednorázový.

To se obvykle používá u poloaktivního navádění radaru, včetně většiny raketových systémů země -vzduch . Vysílací radar se obvykle nachází v blízkosti odpalovače raket. Přijímač je umístěn v raketě.

Vysílací anténa osvětluje cíl podobně jako hledací světlo . Vysílací anténa také vydává všesměrový vzorek.

Přijímač používá dvě antény - jednu anténu zaměřenou na cíl a jednu anténu zaměřenou na vysílací anténu. Přijímací anténa, která je zaměřena na vysílací anténu, se používá k vývoji nulové hodnoty průchozího signálu, což umožňuje cílovému přijímači spolehlivě pracovat v hlavním paprsku antény nebo v její blízkosti.

Dvojice bistatických přijímačů a vysílačů FM-CW může mít také podobu systému OPS (over-the-air deramping). Vysílač OTAD vysílá signál FM-CW na dvou různých frekvenčních kanálech; jeden pro synchronizaci přijímače s vysílačem, druhý pro osvětlení měřicí scény. Přijímač OTAD pomocí direktivních antén sbírá oba signály současně a mísí synchronizační signál s downconverted echo signálem z měřicí scény v procesu známém jako over-the-air deramping. Frekvence tlumeného signálu je úměrná bistatickému rozsahu cíle k menší základní vzdálenosti mezi vysílačem OTAD a přijímačem OTAD.

Většina moderních systémů FM-CW radary používají jednu anténu vysílače a více antén přijímače. Protože je vysílač nepřetržitě zapnutý na stejné frekvenci jako přijímač, je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, aby nedošlo k přetížení stupňů přijímače.

Monopulse

Monopulzní antény produkují úhlová měření bez pulzů nebo jiné modulace. Tato technika se používá při poloaktivním navádění radaru .

Únik

U praktických systémů bude přenosový signál unikat do přijímače. Značný únik bude způsoben okolními odrazy prostředí, i když jsou anténní komponenty perfektní. K dosažení přijatelného výkonu je zapotřebí až 120 dB potlačení úniku.

K vytvoření praktického systému, který bude fungovat správně, lze použít tři přístupy.

  • Nula
  • Filtr
  • Přerušení

S bistatickým radarem, jako je poloaktivní navádění radaru, musí být z praktických důvodů použity nulové a filtrační přiblížení , protože kromě osvětlení hlavního laloku na cíli osvětlí prostředí i boční laloky osvětlovacího radaru. Podobná omezení platí pro pozemní radar CW. To zvyšuje náklady.

Přerušení se týká levných ručních mono-statických radarových systémů (policejní radar a sportovní zboží). To je pro bistatické systémy nepraktické z důvodu nákladů a složitosti spojené s koordinací času s jadernou přesností na dvou různých místech.

Omezením konstrukce, které řídí tento požadavek, je omezení dynamického rozsahu praktických součástí přijímače, které zahrnují pásmové propustné filtry, jejichž ustavení trvá určitou dobu.

Nula

Nulový přístup vyžaduje dva signály:

  • Vzorek vysílacího signálu unikajícího do přijímače
  • Ukázka skutečného vysílaného signálu

Skutečný vysílací signál je otočen o 180 stupňů, zeslaben a přiváděn do přijímače. Fázový posuv a útlum se nastavují pomocí zpětné vazby získané od přijímače, aby se odstranila většina úniku. Typické zlepšení je řádově 30 dB až 70 dB.

Filtr

Filtrační přístup se spoléhá na použití velmi úzkopásmového filtru, který eliminuje signály nízké rychlosti z blízkých reflektorů. Oblast odmítnutí pásma se rozprostírá od 10 mil za hodinu do 100 mil za hodinu v závislosti na očekávaném prostředí. Typické zlepšení je řádově 30 dB až 70 dB.

Přerušení, FMICW

Zatímco přerušované nosné systémy nejsou považovány za CW systémy, výkonové charakteristiky jsou dostatečně podobné skupinovým přerušovaným CW systémům s čistým CW radarem, protože pulzní frekvence je dostatečně vysoká, že měření rozsahu nelze provést bez frekvenční modulace (FM).

Tato technika vypíná vysílač na dobu před zahájením vzorkování přijímače. Rušení přijímače klesá o přibližně 8,7 dB na časovou konstantu. Snížení úniku o 120 dB vyžaduje 14 časových konstant obnovy šířky pásma mezi vypnutím vysílače a zahájením vzorkování přijímače.

Koncept přerušení je široce používán, zejména v radarových aplikacích s dlouhým dosahem, kde je velmi důležitá citlivost přijímače. To je běžně známé jako „frekvenčně modulované přerušované spojité vlny“ nebo FMICW.

Výhody

Kvůli jednoduchosti jsou CW radary levně vyrobitelné, relativně bez závad, levné na údržbu a plně automatizované. Některé jsou dostatečně malé, aby je bylo možné nosit v kapse. Sofistikovanější radarové systémy CW mohou spolehlivě dosáhnout přesných detekcí přesahujících vzdálenost 100 km při současném osvětlení raket.

Rampa FMCW může být komprimována a poskytovat tak extra signál pro zvýšení šumu, takže nepotřebuje další energii, kterou by pulzní radar používal bez modulace FM. To v kombinaci se skutečností, že je koherentní, znamená, že lze použít spíše Fourierovu integraci než integraci azimutu, která poskytuje vynikající signál šumu a Dopplerovo měření.

Dopplerovské zpracování umožňuje integraci signálu mezi po sobě jdoucími vzorky přijímače. To znamená, že lze zvýšit počet vzorků, aby se rozšířil rozsah detekce bez zvýšení vysílacího výkonu. Tuto techniku ​​lze použít k výrobě levného nenápadného radaru s nízkou spotřebou.

Výkon CW je z tohoto důvodu podobný výkonu radaru Pulse-Doppler .

Omezení

Nemodulovaný radar s kontinuální vlnou nemůže měřit vzdálenost. Amplituda signálu poskytuje jediný způsob, jak určit, který objekt odpovídá kterému měření rychlosti, když je poblíž přijímače více než jeden pohybující se objekt, ale informace o amplitudě nejsou užitečné bez měření rozsahu k vyhodnocení velikosti cíle. Mezi pohybující se objekty patří ptáci létající poblíž předmětů před anténou. Odrazy od malých objektů přímo před přijímačem mohou být přemoženy odrazy vstupujícími do bočních laloků antény od velkých objektů umístěných na straně, nad nebo za radarem, jako jsou stromy, jejichž vítr fouká přes listy, vysoká tráva, mořská hladina , nákladní vlaky, autobusy, nákladní automobily a letadla.

Malé radarové systémy, které nemají modulaci dosahu, jsou spolehlivé pouze při použití s ​​jedním objektem ve sterilním prostředí bez vegetace, letadel, ptáků, povětrnostních jevů a dalších blízkých vozidel.

S bočními laloky antény 20 dB může nákladní vůz nebo strom s odraznou plochou 1000 čtverečních stop za anténou produkovat signál silný jako auto s odrazem 10 čtverečních stop před malou ruční anténou. Je vyžadován průzkum oblasti, aby se zjistilo, zda ruční zařízení budou spolehlivě fungovat, protože nepozorovaný provoz na vozovce a stromy za operátorem mohou interferovat s pozorováními prováděnými před operátorem.

Toto je typický problém s radarovými rychlostními zbraněmi používanými policisty, událostmi NASCAR a sportem, jako je baseball, golf a tenis. Rušení druhým radarem, zapalováním automobilu, jinými pohybujícími se objekty, pohybujícími se lopatkami ventilátoru na zamýšleném cíli a jinými vysokofrekvenčními zdroji poškodí měření. Tyto systémy jsou omezeny vlnovou délkou, která je v pásmu Ku 0,02 metru , takže šíření paprsku přesahuje 45 stupňů, pokud je anténa menší než 12 palců (0,3 metru). Významné boční laloky antény se táhnou všemi směry, pokud anténa není větší než vozidlo, na kterém je namontován radar.

Pro spolehlivý provoz je vyžadováno potlačení postranního laloku a modulace rozsahu FM. Neexistuje způsob, jak poznat směr přicházejícího signálu bez potlačení postranního laloku, což vyžaduje dvě nebo více antén, každá s vlastním samostatným přijímačem. Neexistuje způsob, jak poznat vzdálenost bez modulace rozsahu FM.

K výběru jednotlivého objektu je nutná rychlost, směr a vzdálenost.

Tato omezení jsou způsobena dobře známými omezeními základní fyziky, která nelze překonat záměrem.

Donucovací orgány zahrnují ruční laser v kombinaci nástrojů potřebných pro vymáhání práva k potvrzení spolehlivé rychlosti a polohy jednotlivého vozidla v provozu poté, co radar detekuje nadměrnou rychlost.

Viz také

Bibliografie

  • Luck, David GC Frequency Modulated Radar , publikováno McGraw-Hill, New York City , 1949, 466 stran.
  • Stimson, George W. Introduction to Airborne Radar , 2. vydání, SciTech Publishing, 584 stran.
  • Jesse Zheng (2005). Optická frekvenčně modulovaná interferometrie s kontinuální vlnou (FMCW) . Springer. ISBN   978-0387230092 .

Reference

externí odkazy