Radar -Radar

Antena radarowa dalekiego zasięgu, znana jako ALTAIR, używana do wykrywania i śledzenia obiektów kosmicznych w połączeniu z testami ABM na poligonie Ronalda Reagana na atolu Kwajalein.
Antena radarowa dalekiego zasięgu , służąca do śledzenia obiektów kosmicznych i rakiet balistycznych.
Izraelski radar wojskowy jest typowym typem radaru używanego do kontroli ruchu lotniczego.  Antena obraca się ze stałą prędkością, omiatając lokalną przestrzeń powietrzną wąską pionową wiązką w kształcie wachlarza, aby wykrywać samoloty na wszystkich wysokościach.
Radar typu używanego do wykrywania statków powietrznych. Obraca się stabilnie, omiatając przestrzeń powietrzną wąską wiązką.

Radar ( detekcja radiowa i zasięg ) to system wykrywania, który wykorzystuje fale radiowe do określania odległości ( zakresu ), kąta i prędkości promieniowej obiektów względem miejsca. Może być używany do wykrywania samolotów , statków , statków kosmicznych , pocisków kierowanych , pojazdów silnikowych , formacji pogodowych i terenu . System radarowy składa się z nadajnika wytwarzającego fale elektromagnetyczne w domenie radiowej lub mikrofalowej , anteny nadawczej, antena odbiorcza (często ta sama antena jest używana do nadawania i odbioru) oraz odbiornik i procesor do określania właściwości obiektów. Fale radiowe (impulsowe lub ciągłe) z nadajnika odbijają się od obiektów i wracają do odbiornika, podając informacje o położeniu obiektów i prędkościach.

Radar został opracowany potajemnie do użytku wojskowego przez kilka krajów w okresie przed i podczas II wojny światowej . Kluczowym osiągnięciem był magnetron wnękowy w Wielkiej Brytanii , który umożliwił stworzenie stosunkowo małych systemów o rozdzielczości poniżej metra. Termin RADAR został ukuty w 1940 roku przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych jako akronim oznaczający „wykrywanie i zasięg radiowy”. Od tego czasu termin radar wszedł do języka angielskiego i innych języków jako rzeczownik pospolity, tracąc wszelką wielkość liter . Podczas kursów radarowych RAF w latach 1954-55 w Yatesbury Training Camp sugerowano „kierunek azymutu i zasięg radiowy . Współczesne zastosowania radaru są bardzo zróżnicowane, w tym kontrola ruchu powietrznego i naziemnego, astronomia radarowa , systemy obrony powietrznej , systemy przeciwrakietowe , radary morskie do lokalizacji punktów orientacyjnych i innych statków, systemy antykolizyjne samolotów, systemy nadzoru oceanów , przestrzeń kosmiczna systemy obserwacji i spotkań , monitorowanie opadów meteorologicznych , systemy wysokościomierzy i kontroli lotu , systemy lokalizacji celów pocisków kierowanych, samochody autonomiczne oraz radary penetrujące grunt do obserwacji geologicznych. Zaawansowane technologicznie systemy radarowe są związane z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów , uczeniem maszynowym i są w stanie wydobywać przydatne informacje z bardzo wysokich poziomów hałasu .

Inne systemy podobne do radaru wykorzystują inne części widma elektromagnetycznego . Jednym z przykładów jest lidar , który wykorzystuje głównie światło podczerwone z laserów , a nie fale radiowe. Wraz z pojawieniem się pojazdów bez kierowcy oczekuje się, że radar będzie wspomagał zautomatyzowaną platformę w monitorowaniu otoczenia, zapobiegając w ten sposób niepożądanym incydentom.

Historia

Pierwsze eksperymenty

Już w 1886 roku niemiecki fizyk Heinrich Hertz wykazał, że fale radiowe mogą być odbijane od ciał stałych. W 1895 roku Aleksander Popow , instruktor fizyki w szkole Cesarskiej Marynarki Wojennej w Kronsztadzie , opracował aparat wykorzystujący rurkę koherentną do wykrywania odległych uderzeń piorunów. W następnym roku dodał nadajnik iskiernikowy . W 1897 roku, testując ten sprzęt do komunikacji między dwoma statkami na Morzu Bałtyckim , zwrócił uwagę na zakłócenia spowodowane przejściem trzeciego statku. W swoim raporcie Popow napisał, że to zjawisko może być wykorzystywane do wykrywania obiektów, ale nic więcej nie zrobił z tą obserwacją.

Niemiecki wynalazca Christian Hülsmeyer jako pierwszy zastosował fale radiowe do wykrywania „obecności odległych obiektów metalicznych”. W 1904 zademonstrował możliwość wykrycia statku w gęstej mgle, ale nie jego odległość od nadajnika. Uzyskał patent na swoje urządzenie wykrywające w kwietniu 1904, a później patent na związaną z nim poprawkę do szacowania odległości do statku. Uzyskał również brytyjski patent 23 września 1904 na pełny system radarowy, który nazwał telemobiloskopem . Działał na fali o długości 50 cm, a impulsowy sygnał radarowy został wytworzony przez iskiernik. Jego system wykorzystywał już klasyczną konfigurację anteny tubowej z odbłyśnikiem parabolicznym i został przedstawiony niemieckim urzędnikom wojskowym w testach praktycznych w porcie w Kolonii i Rotterdamie , ale został odrzucony.

W 1915 r. Robert Watson-Watt wykorzystał technologię radiową do wcześniejszego ostrzegania lotników, a w latach dwudziestych kierował brytyjskim ośrodkiem badawczym, aby poczynić wiele postępów przy użyciu technik radiowych, w tym sondowania jonosfery i wykrywania wyładowań atmosferycznych na duże odległości . Dzięki swoim eksperymentom z piorunami Watson-Watt stał się ekspertem w dziedzinie wykrywania kierunku radiowego, zanim skierował swoje badanie na transmisję krótkofalową . Potrzebując odpowiedniego odbiornika do takich badań, powiedział „nowemu chłopcu” Arnoldowi Fredericowi Wilkinsowi , aby przeprowadził obszerny przegląd dostępnych urządzeń krótkofalowych. Wilkins wybrał model General Post Office po odnotowaniu w instrukcji opisu efektu „zanikania” (powszechny termin dla zakłóceń w czasie), gdy samolot przelatywał nad głową.

Po drugiej stronie Atlantyku w 1922 roku, po umieszczeniu nadajnika i odbiornika po przeciwnych stronach rzeki Potomac , badacze amerykańskiej marynarki wojennej A. Hoyt Taylor i Leo C. Young odkryli, że statki przechodzące przez tor wiązki powodowały zanikanie i zanikanie odbieranego sygnału. Taylor przedstawił raport, sugerując, że to zjawisko może być wykorzystane do wykrywania obecności statków w warunkach słabej widoczności, ale marynarka wojenna nie podjęła natychmiastowych prac. Osiem lat później Lawrence A. Hyland z Naval Research Laboratory (NRL) zaobserwował podobne efekty zanikania od przelatujących samolotów; odkrycie to doprowadziło do złożenia wniosku patentowego, a także propozycji dalszych intensywnych badań nad sygnałami echa radiowego z ruchomych celów, które mają się odbyć w NRL, gdzie Taylor i Young mieli wówczas siedzibę.

Podobnie w Wielkiej Brytanii, LS Alder wykupił tajny tymczasowy patent na radar marynarki wojennej w 1928 roku. WAS Butement i PE Pollard opracowali urządzenie do testowania płytek stykowych, działające na 50 cm (600 MHz) i wykorzystujące modulację impulsową, co dało pomyślne wyniki laboratoryjne. W styczniu 1931 roku do Księgi Wynalazków prowadzonej przez Królewskich Inżynierów wpisano spis aparatury . Jest to pierwszy oficjalny zapis w Wielkiej Brytanii technologii, która została wykorzystana w obronie wybrzeża i została włączona do Chain Home jako Chain Home (niski) .

Tuż przed II wojną światową

Eksperymentalna antena radarowa, US Naval Research Laboratory , Anacostia, DC, z końca lat 30. (zdjęcie z 1945 r.).

Przed II wojną światową badacze z Wielkiej Brytanii, Francji , Niemiec , Włoch , Japonii , Holandii, Związku Radzieckiego i Stanów Zjednoczonych samodzielnie iw wielkiej tajemnicy opracowali technologie, które doprowadziły do ​​powstania nowoczesnej wersji radaru. Australia, Kanada, Nowa Zelandia i RPA podążały za rozwojem przedwojennych radarów Wielkiej Brytanii, a Węgry stworzyły swoją technologię radarową podczas wojny.

We Francji w 1934 roku, po systematycznych badaniach nad magnetronem z rozszczepioną anodą , oddział badawczy Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF) kierowany przez Maurice'a Ponte'a wraz z Henri Guttonem, Sylvainem Berlinem i M. Hugonem rozpoczął prace nad urządzeniem do lokalizacji przeszkód. aparat radiowy, którego elementy zostały zainstalowane na liniowcu oceanicznym Normandie w 1935 roku.

W tym samym okresie radziecki inżynier wojskowy PK Oszczepkow we współpracy z Leningradzkim Instytutem Elektrotechnicznym wyprodukował eksperymentalny aparat RAPID, zdolny do wykrycia samolotu w promieniu 3 km od odbiornika. Sowieci wyprodukowali swoje pierwsze seryjne radary RUS-1 i RUS-2 Redut w 1939 roku, ale dalszy rozwój został spowolniony po aresztowaniu Oszczepkowa i jego późniejszym skazaniu na gułag . W sumie w czasie wojny wyprodukowano tylko 607 stacji Redut. Pierwszy rosyjski radar powietrznodesantowy, Gneiss-2 , wszedł do służby w czerwcu 1943 roku na bombowcach nurkujących Pe-2 . Do końca 1944 r. wyprodukowano ponad 230 stacji Gneiss-2. Jednak systemy francuski i radziecki charakteryzowały się działaniem na fali ciągłej, która nie zapewniała pełnej wydajności, która ostatecznie była synonimem nowoczesnych systemów radarowych.

Pełny radar wyewoluował jako system impulsowy, a pierwszy taki elementarny aparat zademonstrował w grudniu 1934 roku Amerykanin Robert M. Page , pracujący w Naval Research Laboratory . W następnym roku armia Stanów Zjednoczonych z powodzeniem przetestowała prymitywny radar ziemia-ziemia do celowania nocą przybrzeżnych reflektorów bateryjnych. Po tym projekcie zastosowano system pulsacyjny zademonstrowany w maju 1935 r. przez Rudolfa Kühnholda i firmę GEMA  [ de ] w Niemczech, a następnie kolejny w czerwcu 1935 r. przez zespół Ministerstwa Lotnictwa kierowany przez Roberta Watsona-Watta w Wielkiej Brytanii.

Pierwsza sprawna jednostka zbudowana przez Roberta Watsona-Watta i jego zespół

W 1935 roku Watson-Watt został poproszony o osądzenie ostatnich doniesień o promieniu śmierci w niemieckim radiu i przekazał tę prośbę Wilkinsowi. Wilkins zwrócił zestaw obliczeń, które wykazały, że system był w zasadzie niemożliwy. Kiedy Watson-Watt zapytał następnie, co taki system może zrobić, Wilkins przypomniał wcześniejszy raport o samolotach powodujących zakłócenia radiowe. To odkrycie doprowadziło do eksperymentu Daventry 26 lutego 1935, w którym wykorzystano potężny nadajnik krótkofalowy BBC jako źródło i odbiornik GPO na polu, podczas gdy bombowiec latał wokół tego miejsca. Kiedy samolot został wyraźnie wykryty, Hugh Dowding , członek lotnictwa ds. zaopatrzenia i badań, był pod wielkim wrażeniem potencjału ich systemu i natychmiast zapewniono fundusze na dalszy rozwój operacyjny. Zespół Watson-Watt opatentował urządzenie w GB593017.

Wieża A Chain Home w Great Baddow, Essex, Wielka Brytania
Tablica pamiątkowa upamiętniająca Roberta Watsona-Watta i Arnolda Wilkinsa

Rozwój radarów znacznie rozszerzył się 1 września 1936 roku, kiedy Watson-Watt został kierownikiem nowej placówki brytyjskiego Ministerstwa Lotnictwa , Stacji Badawczej Bawdsey zlokalizowanej w Bawdsey Manor , niedaleko Felixstowe, Suffolk. Prace tam zaowocowały zaprojektowaniem i zainstalowaniem stacji wykrywania i śledzenia samolotów zwanych „ Chain Home ” wzdłuż wschodniego i południowego wybrzeża Anglii przed wybuchem II wojny światowej w 1939 roku. Siły Powietrzne wygrywają Bitwę o Anglię ; bez niego znaczna liczba samolotów myśliwskich, których Wielka Brytania nie miała do dyspozycji, musiałaby zawsze znajdować się w powietrzu, aby szybko zareagować. Gdyby wykrywanie niemieckich samolotów opierało się wyłącznie na obserwacjach jednostek naziemnych, Wielka Brytania mogłaby przegrać Bitwę o Anglię. Radar stanowił część „ systemu Dowding ” służącego do zbierania meldunków o samolotach wroga i koordynowania reakcji.

Biorąc pod uwagę wszystkie wymagane fundusze i wsparcie rozwojowe, zespół wyprodukował działające systemy radarowe w 1935 roku i rozpoczął wdrażanie. Do 1936 r. pierwsze pięć systemów Chain Home (CH) było sprawnych, a do 1940 r. rozciągnięto je na całą Wielką Brytanię, łącznie z Irlandią Północną. Nawet jak na standardy epoki, CH był surowy; zamiast nadawać i odbierać z wycelowanej anteny, CH nadawał sygnał oświetlający cały obszar przed nią, a następnie użył jednego z własnych radionamierników Watson-Watt, aby określić kierunek powracającego echa. Fakt ten oznaczał, że nadajniki CH musiały być znacznie mocniejsze i mieć lepsze anteny niż konkurencyjne systemy, ale pozwoliły na ich szybkie wprowadzenie przy użyciu istniejących technologii.

W czasie II wojny światowej

Kluczowym osiągnięciem był magnetron wnękowy w Wielkiej Brytanii, który umożliwił stworzenie stosunkowo małych systemów o rozdzielczości poniżej metra. Wielka Brytania podzieliła się technologią z USA podczas misji Tizard w 1940 roku .

W kwietniu 1940 roku popularna nauka pokazała przykład jednostki radarowej wykorzystującej patent Watsona-Watta w artykule na temat obrony powietrznej. Ponadto pod koniec 1941 roku w Popular Mechanics ukazał się artykuł, w którym amerykański naukowiec spekulował na temat brytyjskiego systemu wczesnego ostrzegania na wschodnim wybrzeżu Anglii i zbliżył się do tego, czym był i jak działał. Watson-Watt został wysłany do USA w 1941 roku, aby doradzać w zakresie obrony przeciwlotniczej po ataku Japonii na Pearl Harbor . Alfred Lee Loomis zorganizował tajne Laboratorium Promieniowania MIT w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, Massachusetts, które opracowało technologię radaru mikrofalowego w latach 1941-45. Później, w 1943 roku, Page znacznie ulepszył radar dzięki technice monopulsowej, która była używana przez wiele lat w większości zastosowań radarów.

Wojna przyspieszyła badania w celu znalezienia lepszej rozdzielczości, większej przenośności i większej liczby funkcji radaru, w tym uzupełniających systemów nawigacyjnych, takich jak Obój używany przez Pathfindera RAF .

Aplikacje

Komercyjna antena radaru morskiego. Obrotowa antena emituje pionową wiązkę w kształcie wachlarza.

Informacje dostarczane przez radar obejmują namiar i zasięg (a tym samym położenie) obiektu ze skanera radarowego. Jest więc używany w wielu różnych dziedzinach, w których potrzeba takiego pozycjonowania jest kluczowa. Po raz pierwszy radar został użyty do celów wojskowych: do lokalizowania celów powietrznych, naziemnych i morskich. To ewoluowało w dziedzinie cywilnej do zastosowań w samolotach, statkach i samochodach.

W lotnictwie samoloty mogą być wyposażone w urządzenia radarowe, które ostrzegają o samolotach lub innych przeszkodach na ich ścieżce lub zbliżają się do nich, wyświetlają informacje o pogodzie i podają dokładne odczyty wysokości. Pierwszym komercyjnym urządzeniem zamontowanym w samolotach była jednostka Bell Lab z 1938 roku na niektórych samolotach United Air Lines . Samoloty mogą lądować we mgle na lotniskach wyposażonych w systemy kontrolowanego podejścia wspomaganego radarem , w których położenie samolotu jest obserwowane na ekranach radaru precyzyjnego podejścia przez operatorów, którzy w ten sposób przekazują pilotowi instrukcje dotyczące lądowania drogą radiową, utrzymując samolot na określonej ścieżce podejścia do pas startowy. Wojskowe samoloty myśliwskie są zwykle wyposażone w radary naprowadzające powietrze-powietrze, które wykrywają i namierzają wrogie samoloty. Ponadto większe wyspecjalizowane samoloty wojskowe są wyposażone w potężne radary powietrzne do obserwacji ruchu lotniczego w szerokim regionie i kierowania myśliwców na cele.

Radary morskie są używane do pomiaru namiaru i odległości statków, aby zapobiec kolizji z innymi statkami, nawigować i ustalać ich pozycję na morzu, gdy znajdują się w zasięgu brzegu lub innych stałych punktów odniesienia, takich jak wyspy, boje i latarnie morskie. W porcie lub w porcie systemy radarowe służące do obsługi ruchu statków są wykorzystywane do monitorowania i regulowania ruchów statków na ruchliwych wodach.

Meteorolodzy wykorzystują radar do monitorowania opadów i wiatru. Stało się głównym narzędziem do krótkoterminowego prognozowania pogody i obserwowania trudnych warunków pogodowych , takich jak burze , tornada , burze zimowe , rodzaje opadów itp. Geolodzy używają specjalistycznych radarów penetrujących grunt do mapowania składu skorupy ziemskiej . Siły policyjne używają dział radarowych do monitorowania prędkości pojazdów na drogach. Mniejsze systemy radarowe służą do wykrywania ruchu człowieka . Przykładami są wykrywanie wzorców oddychania w celu monitorowania snu oraz wykrywanie gestów dłoni i palców w celu interakcji z komputerem. Powszechne są również automatyczne otwieranie drzwi, aktywacja światła i wykrywanie intruza.

Zasady

Sygnał radarowy

Widmo radaru dopplerowskiego 3D pokazujące kod Barkera 13

System radarowy posiada nadajnik , który emituje fale radiowe zwane sygnałami radarowymi w określonych kierunkach. Kiedy te sygnały stykają się z obiektem, są zwykle odbijane lub rozpraszane w wielu kierunkach, chociaż niektóre z nich zostaną pochłonięte i wnikną w cel. Sygnały radarowe są szczególnie dobrze odbijane przez materiały o znacznej przewodności elektrycznej — takie jak większość metali, woda morska i mokra ziemia. Umożliwia to w niektórych przypadkach zastosowanie wysokościomierzy radarowych . Sygnały radarowe, które są odbijane z powrotem w kierunku odbiornika radarowego, są pożądanymi sygnałami, które umożliwiają wykrywanie radarów. Jeśli obiekt porusza się w kierunku lub od nadajnika, nastąpi niewielka zmiana częstotliwości fal radiowych z powodu efektu Dopplera .

Odbiorniki radarowe są zwykle, ale nie zawsze, w tym samym miejscu co nadajnik. Odbite sygnały radarowe przechwycone przez antenę odbiorczą są zwykle bardzo słabe. Można je wzmocnić wzmacniaczami elektronicznymi . Stosowane są również bardziej wyrafinowane metody przetwarzania sygnałów w celu odzyskania użytecznych sygnałów radarowych.

Słaba absorpcja fal radiowych przez ośrodek, przez który przechodzą, umożliwia zestawom radarowym wykrywanie obiektów w stosunkowo dużych odległościach — zakresach, w których inne długości fal elektromagnetycznych, takie jak światło widzialne , podczerwone i ultrafioletowe , są zbyt silnie tłumione. Zjawiska pogodowe, takie jak mgła, chmury, deszcz, padający śnieg i deszcz ze śniegiem, które blokują światło widzialne, są zwykle przezroczyste dla fal radiowych. Podczas projektowania radarów unika się niektórych częstotliwości radiowych, które są pochłaniane lub rozpraszane przez parę wodną, ​​krople deszczu lub gazy atmosferyczne (zwłaszcza tlen), z wyjątkiem sytuacji, gdy ich wykrywanie jest przewidziane.

Oświetlenie

Radar opiera się na własnych transmisjach, a nie na świetle ze Słońca lub Księżyca lub na falach elektromagnetycznych emitowanych przez same obiekty docelowe, takich jak promieniowanie podczerwone (ciepło). Ten proces kierowania sztucznych fal radiowych na obiekty nazywany jest iluminacją , chociaż fale radiowe są niewidoczne dla ludzkiego oka, podobnie jak kamery optyczne.

Odbicie

Jasność może wskazywać na współczynnik odbicia, tak jak na tym obrazie radaru pogodowego z 1960 r. ( Hurricane Abby ). Częstotliwość, forma impulsu, polaryzacja, przetwarzanie sygnału i antena określają to, co radar może obserwować.

Jeśli fale elektromagnetyczne przechodzące przez jeden materiał spotkają się z innym materiałem, mającym inną stałą dielektryczną lub diamagnetyczną niż pierwszy, fale odbiją się lub rozproszą od granicy między materiałami. Oznacza to, że ciało stałe w powietrzu lub w próżni lub znacząca zmiana gęstości atomowej między obiektem a tym, co go otacza, zwykle rozprasza fale radarowe (radiowe) z jego powierzchni. Dotyczy to w szczególności materiałów przewodzących prąd elektryczny , takich jak metal i włókno węglowe, dzięki czemu radar doskonale nadaje się do wykrywania samolotów i statków. Materiał pochłaniający radary , zawierający substancje rezystancyjne , a czasem magnetyczne , jest stosowany w pojazdach wojskowych w celu zmniejszenia odbicia radarowego . To radiowy odpowiednik malowania czegoś na ciemny kolor, aby nie było go widać w nocy.

Fale radarowe rozpraszają się na różne sposoby w zależności od wielkości (długości fali) fali radiowej i kształtu celu. Jeśli długość fali jest znacznie krótsza niż rozmiar celu, fala będzie się odbijać w sposób podobny do odbijania światła przez lustro . Jeśli długość fali jest znacznie dłuższa niż rozmiar celu, cel może nie być widoczny z powodu słabego odbicia. Technologia radarowa o niskiej częstotliwości jest uzależniona od rezonansów w celu wykrywania, ale nie identyfikacji celów. Jest to opisane przez rozpraszanie Rayleigha , efekt, który tworzy na Ziemi błękitne niebo i czerwone zachody słońca. Gdy dwie skale długości są porównywalne, mogą wystąpić rezonanse . Wczesne radary wykorzystywały bardzo długie fale, które były większe niż cele, przez co odbierały niewyraźny sygnał, podczas gdy wiele nowoczesnych systemów wykorzystuje fale krótsze (kilka centymetrów lub mniej), które mogą obrazować obiekty tak małe jak bochenek chleba.

Krótkie fale radiowe odbijają się od krzywizn i narożników w sposób podobny do blasku od zaokrąglonego kawałka szkła. Najbardziej odblaskowe cele dla krótkich długości fal mają kąty 90° między odbijającymi powierzchniami . Odbłyśnik narożny składa się z trzech płaskich powierzchni zbiegających się jak wewnętrzny narożnik sześcianu. Struktura będzie odbijać fale wpadające przez jej otwór bezpośrednio z powrotem do źródła. Są powszechnie używane jako reflektory radarowe, aby ułatwić wykrywanie obiektów trudnych do wykrycia. Na przykład reflektory narożne na łodziach zwiększają ich wykrywalność, aby uniknąć kolizji lub podczas akcji ratunkowej. Z podobnych powodów obiekty mające na celu uniknięcie wykrycia nie będą miały wewnętrznych narożników ani powierzchni i krawędzi prostopadłych do prawdopodobnych kierunków wykrywania, co prowadzi do „dziwnie” wyglądających samolotów stealth . Te środki ostrożności nie eliminują całkowicie odbicia z powodu dyfrakcji , zwłaszcza przy dłuższych długościach fal. Druty lub paski materiału przewodzącego o długości połowy fali, takie jak plewy , są bardzo odblaskowe, ale nie kierują rozproszonej energii z powrotem w kierunku źródła. Stopień, w jakim obiekt odbija lub rozprasza fale radiowe, nazywany jest jego przekrojem radarowym .

Równanie zasięgu radaru

Moc P r powracająca do anteny odbiorczej dana jest równaniem:

gdzie

  • P t = moc nadajnika
  • G t = zysk anteny nadawczej
  • A r = efektywna apertura (obszar) anteny odbiorczej; można to również wyrazić jako , gdzie
  • = transmitowana długość fali
  • G r = zysk anteny odbiorczej
  • σ = przekrój radarowy lub współczynnik rozproszenia celu
  • F = współczynnik propagacji wzoru
  • R t = odległość od nadajnika do celu
  • R r = odległość od celu do odbiornika.

W powszechnym przypadku, gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w tym samym miejscu, R t = R r i termin Rt ² R r ² można zastąpić przez R 4 , gdzie R jest zasięgiem. Daje to:

Pokazuje to, że odbierana moc maleje jako czwarta potęga zasięgu, co oznacza, że ​​odbierana moc od odległych celów jest stosunkowo niewielka.

Dodatkowe filtrowanie i integracja impulsów nieznacznie modyfikują równanie radaru pod kątem wydajności radaru dopplerowskiego impulsu , co można wykorzystać do zwiększenia zasięgu wykrywania i zmniejszenia mocy nadawania.

Powyższe równanie z F = 1 jest uproszczeniem transmisji w próżni bez zakłóceń. Współczynnik propagacji uwzględnia efekty wielościeżkowego i cieniowania i zależy od szczegółów otoczenia. W rzeczywistej sytuacji brane są również pod uwagę efekty utraty ścieżki.

efekt Dopplera

Zmiana długości fali wywołana ruchem źródła.

Przesunięcie częstotliwości jest spowodowane ruchem, który zmienia liczbę długości fal między reflektorem a radarem. Może to pogorszyć lub zwiększyć wydajność radaru w zależności od tego, jak wpływa to na proces wykrywania. Na przykład, wskazanie ruchomego celu może współdziałać z Dopplerem, aby wywołać anulowanie sygnału przy pewnych prędkościach promieniowych, co obniża wydajność.

Morskie systemy radarowe, półaktywne naprowadzanie radaru , aktywne naprowadzanie radaru , radar pogodowy , samoloty wojskowe i astronomia radarowa polegają na efekcie Dopplera w celu zwiększenia wydajności. Daje to informacje o docelowej prędkości podczas procesu wykrywania. Pozwala to również na wykrywanie małych obiektów w środowisku zawierającym znacznie większe pobliskie wolno poruszające się obiekty.

Przesunięcie Dopplera zależy od tego, czy konfiguracja radaru jest aktywna czy pasywna. Aktywny radar przesyła sygnał, który jest odbijany z powrotem do odbiornika. Radar pasywny zależy od tego, czy obiekt wysyła sygnał do odbiornika.

Przesunięcie częstotliwości Dopplera dla aktywnego radaru jest następujące, gdzie jest częstotliwością Dopplera, jest częstotliwością nadawania, jest prędkością radialną i jest prędkością światła:

.

Radar pasywny ma zastosowanie do elektronicznych środków zaradczych i radioastronomii w następujący sposób:

.

Istotna jest tylko składowa promieniowa prędkości. Gdy reflektor porusza się pod kątem prostym do wiązki radaru, nie ma prędkości względnej. Pojazdy i pogoda poruszające się równolegle do wiązki radarowej powodują maksymalne przesunięcie częstotliwości Dopplera.

Gdy częstotliwość nadawania ( ) jest pulsująca, przy użyciu częstotliwości powtarzania impulsów , wynikowe widmo częstotliwości będzie zawierało częstotliwości harmoniczne powyżej i poniżej z odległością . W rezultacie pomiar Dopplera jest jednoznaczny tylko wtedy, gdy przesunięcie częstotliwości Dopplera jest mniejsze niż połowa , zwanej częstotliwością Nyquista , ponieważ w inny sposób zwracana częstotliwość nie może być odróżniona od przesunięcia częstotliwości harmonicznej powyżej lub poniżej, co wymaga:

Lub zastępując przez :

Na przykład radar pogodowy Dopplera o częstotliwości impulsów 2 kHz i częstotliwości nadawania 1 GHz może niezawodnie mierzyć prędkość pogodową do maksymalnie 150 m/s (340 mph), a zatem nie może wiarygodnie określić prędkości radialnej statku powietrznego poruszającego się na 1000 m /s (2200 mil na godzinę).

Polaryzacja

We wszystkich promieniowanie elektromagnetyczne pole elektryczne jest prostopadłe do kierunku propagacji, a kierunek pola elektrycznego jest polaryzacją fali. W przypadku transmitowanego sygnału radarowego polaryzacja może być kontrolowana w celu uzyskania różnych efektów. Radary wykorzystują polaryzację poziomą, pionową, liniową i kołową do wykrywania różnych typów odbić. Na przykład polaryzacja kołowa służy do minimalizacji zakłóceń powodowanych przez deszcz. Powroty polaryzacji liniowej zwykle wskazują na powierzchnie metalowe. Losowe zwroty polaryzacji zwykle wskazują na powierzchnię fraktalną , taką jak skały lub gleba i są wykorzystywane przez radary nawigacyjne.

Czynniki ograniczające

Ścieżka i zasięg wiązki

Wysokości echa nad ziemią Gdzie :   r : odległość radar-cel ke : 4/3 ae : promień ziemi θe : kąt elewacji nad horyzontem radaru ha : wysokość sygnału rogu nad ziemią






Wiązka radarowa podąża liniową ścieżką w próżni, ale podąża nieco zakrzywioną ścieżką w atmosferze ze względu na zmienność współczynnika załamania światła , który nazywa się horyzontem radarowym . Nawet gdy wiązka jest emitowana równolegle do ziemi, wiązka unosi się nad ziemią, gdy krzywizna Ziemi opada poniżej horyzontu. Ponadto sygnał jest osłabiany przez ośrodek, przez który przechodzi wiązka, a wiązka ulega rozproszeniu.

Maksymalny zasięg radaru konwencjonalnego może być ograniczony przez szereg czynników:

  • Linia wzroku, która zależy od wysokości nad ziemią. Bez bezpośredniej linii wzroku droga wiązki jest zablokowana.
  • Maksymalny niedwuznaczny zakres, który jest określony przez częstotliwość powtarzania impulsów . Maksymalny niedwuznaczny zakres to odległość, na jaką impuls może przebyć iz którego może powrócić, zanim zostanie wyemitowany następny impuls.
  • Czułość radaru i moc sygnału zwrotnego obliczona w równaniu radaru. Składnik ten obejmuje takie czynniki, jak warunki środowiskowe i wielkość (lub przekrój radaru) celu.

Hałas

Szum sygnału jest wewnętrznym źródłem losowych zmian sygnału, generowanych przez wszystkie elementy elektroniczne.

Odbite sygnały spadają szybko wraz ze wzrostem odległości, więc hałas wprowadza ograniczenie zasięgu radaru. Poziom szumów i stosunek sygnału do szumu to dwie różne miary wydajności , które wpływają na wydajność zasięgu. Reflektory, które są zbyt daleko, wytwarzają zbyt mały sygnał, aby przekroczyć poziom szumów i nie można ich wykryć. Wykrywanie wymaga sygnału, który przekracza poziom szumów przynajmniej o stosunek sygnału do szumu.

Szum zwykle pojawia się jako losowe zmiany nałożone na pożądany sygnał echa odebrany w odbiorniku radarowym. Im niższa moc żądanego sygnału, tym trudniej odróżnić go od szumu. Współczynnik szumów jest miarą szumu wytwarzanego przez odbiornik w porównaniu z idealnym odbiornikiem i należy go zminimalizować.

Szum strzałowy jest wytwarzany przez elektrony przechodzące przez nieciągłość, która występuje we wszystkich detektorach. Szum strzałowy jest dominującym źródłem w większości odbiorników. Pojawią się również szumy migotania spowodowane przechodzeniem elektronów przez urządzenia wzmacniające, które są redukowane dzięki wzmocnieniu heterodynowemu . Innym powodem przetwarzania heterodynowego jest to, że przy stałej ułamkowej szerokości pasma chwilowa szerokość pasma zwiększa się liniowo w częstotliwości. Pozwala to na lepszą rozdzielczość zakresu. Jedynym godnym uwagi wyjątkiem od heterodynowych (konwersji w dół) systemów radarowych jest radar ultraszerokopasmowy . Tutaj pojedynczy cykl lub fala przejściowa jest używany podobnie do komunikacji UWB, patrz Lista kanałów UWB .

Hałas generowany jest również przez źródła zewnętrzne, przede wszystkim naturalne promieniowanie cieplne tła otaczającego interesujący obiekt. W nowoczesnych systemach radarowych szum wewnętrzny jest zwykle równy lub niższy niż szum zewnętrzny. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy radar jest skierowany w górę na czyste niebo, gdzie scena jest tak „zimna”, że generuje bardzo mało szumu termicznego . Szum termiczny jest określony przez k B TB , gdzie T jest temperaturą, B jest szerokością pasma (filtr po dopasowaniu), a k B jest stałą Boltzmanna . Istnieje atrakcyjna intuicyjna interpretacja tego związku w radarze. Dopasowane filtrowanie pozwala na skompresowanie całej energii otrzymanej od celu do pojedynczego pojemnika (czy to zakresu, Dopplera, elewacji czy azymutu). Na pozór wydaje się, że wtedy w ustalonym przedziale czasu można było uzyskać doskonałą, bezbłędną detekcję. Odbywa się to poprzez kompresję całej energii w nieskończenie mały wycinek czasu. Tym, co ogranicza to podejście w realnym świecie, jest to, że choć czas jest arbitralnie podzielny, prąd nie jest. Kwantem energii elektrycznej jest elektron, więc najlepszym, co można zrobić, jest dopasowanie całej energii do pojedynczego elektronu. Ponieważ elektron porusza się w określonej temperaturze ( widmo Plancka ), to źródło szumu nie może być dalej niszczone. Ostatecznie, radar, podobnie jak wszystkie jednostki w skali makro, podlega głębokiemu wpływowi teorii kwantowej.

Hałas jest losowy, a sygnały docelowe nie. Przetwarzanie sygnału może wykorzystać to zjawisko do redukcji szumów tła przy użyciu dwóch strategii. Rodzaj integracji sygnału używany z ruchomym wskazaniem celu może poprawić szum na każdym etapie. Sygnał można również podzielić na wiele filtrów w celu przetwarzania sygnału impulsowego Dopplera , co zmniejsza poziom szumów o liczbę filtrów. Te ulepszenia zależą od spójności .

Ingerencja

Systemy radarowe muszą pokonać niechciane sygnały, aby skoncentrować się na interesujących obiektach. Te niechciane sygnały mogą pochodzić ze źródeł wewnętrznych i zewnętrznych, zarówno pasywnych, jak i aktywnych. Zdolność systemu radarowego do pokonania tych niepożądanych sygnałów określa jego stosunek sygnału do szumu (SNR). SNR definiuje się jako stosunek mocy sygnału do mocy szumu w pożądanym sygnale; porównuje poziom pożądanego sygnału docelowego z poziomem szumu tła (szumu atmosferycznego i szumu generowanego w odbiorniku). Im wyższy współczynnik SNR systemu, tym lepiej odróżnia on rzeczywiste cele od sygnałów szumowych.

Nieład

Bałagan odnosi się do ech o częstotliwości radiowej (RF) zwracanych przez cele, które nie są interesujące dla operatorów radarów. Takie cele obejmują obiekty naturalne, takie jak ziemia, morze, a gdy nie są wykorzystywane do celów meteorologicznych, opady (takie jak deszcz, śnieg lub grad), burze piaskowe , zwierzęta (zwłaszcza ptaki), turbulencje atmosferyczne i inne efekty atmosferyczne, takie jak odbicia jonosfery , ślady meteorów i grad . Bałagan może być również przywracany przez obiekty stworzone przez człowieka, takie jak budynki i celowo, przez środki zaradcze radarowe, takie jak plewy .

Niektóre bałagany mogą być również spowodowane długim falowodem radarowym pomiędzy nadajnikiem-odbiornikiem radarowym a anteną. W typowym radarze ze wskaźnikiem pozycji planowej (PPI) z obrotową anteną, będzie to zwykle postrzegane jako „słońce” lub „błysk słoneczny” na środku wyświetlacza, gdy odbiornik reaguje na echa od cząstek kurzu i błędnie skierowane RF w falowodzie . Regulacja czasu pomiędzy momentem wysłania impulsu przez nadajnik a włączeniem stopnia odbiornika zasadniczo zmniejszy rozbłyski słoneczne bez wpływu na dokładność zasięgu, ponieważ większość rozbłysków słonecznych jest spowodowana rozproszonym impulsem nadawczym odbitym przed opuszczeniem anteny. Bałagan jest uważany za pasywne źródło zakłóceń, ponieważ pojawia się tylko w odpowiedzi na sygnały radarowe wysyłane przez radar.

Bałagan jest wykrywany i neutralizowany na kilka sposobów. Bałagan ma tendencję do pojawiania się statyczny między skanami radarowymi; przy kolejnych echach skanowania pożądane cele będą wydawały się poruszać, a wszystkie stacjonarne echa mogą zostać wyeliminowane. Bałagan na morzu można zmniejszyć za pomocą polaryzacji poziomej, podczas gdy deszcz jest redukowany za pomocą polaryzacji kołowej (radary meteorologiczne chcą uzyskać odwrotny efekt, dlatego do wykrywania opadów wykorzystują polaryzację liniową ). Inne metody próbują zwiększyć stosunek sygnału do bałaganu.

Bałagan porusza się z wiatrem lub jest nieruchomy. Dwie typowe strategie poprawy pomiaru lub wydajności w środowisku z bałaganem to:

  • Ruchome wskazanie celu, które integruje kolejne impulsy
  • Przetwarzanie Dopplera, które wykorzystuje filtry do oddzielania bałaganu od pożądanych sygnałów

Najskuteczniejszą techniką redukcji bałaganu jest radar dopplerowski . Doppler oddziela bałagan od samolotów i statków kosmicznych za pomocą widma częstotliwości , dzięki czemu poszczególne sygnały można oddzielić od wielu reflektorów znajdujących się w tej samej objętości przy użyciu różnic prędkości. Wymaga to spójnego nadajnika. Inna technika wykorzystuje wskaźnik ruchomego celu, który odejmuje odbierany sygnał od dwóch kolejnych impulsów, wykorzystując fazę do redukcji sygnałów z wolno poruszających się obiektów. Można to dostosować do systemów, w których brakuje spójnego nadajnika, takich jak radar impulsowo-amplitudowy w dziedzinie czasu .

Stała częstotliwość fałszywych alarmów , forma automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC), to metoda, która opiera się na zwracaniu bałaganu znacznie przewyższającego liczebnie echa od obiektów zainteresowania. Wzmocnienie odbiornika jest automatycznie dostosowywane, aby utrzymać stały poziom widocznego bałaganu. Chociaż nie pomaga to w wykrywaniu celów zamaskowanych przez silniejszy bałagan w otoczeniu, pomaga w rozróżnieniu silnych źródeł celów. W przeszłości radar AGC był sterowany elektronicznie i wpływał na wzmocnienie całego odbiornika radaru. Wraz z ewolucją radarów AGC stała się kontrolowana przez oprogramowanie komputerowe i wpływała na wzmocnienie z większą szczegółowością w określonych komórkach detekcyjnych.

Wielościeżkowe echo radarowe od celu powoduje pojawienie się duchów

Bałagan może również pochodzić z wielodrogowych ech od ważnych obiektów spowodowanych odbiciem od podłoża, przewodami atmosferycznymi lub odbiciem / załamaniem jonosferycznym (np. anomalna propagacja ). Ten rodzaj bałaganu jest szczególnie uciążliwy, ponieważ wydaje się, że porusza się i zachowuje jak inne normalne (punktowe) obiekty zainteresowania. W typowym scenariuszu echo samolotu odbija się od ziemi poniżej, ukazując się odbiornikowi jako identyczny cel poniżej właściwego. Radar może próbować zjednoczyć cele, zgłaszając cel na niewłaściwej wysokości lub eliminując go na podstawie jittera lub fizycznej niemożliwości. Zagłuszanie odbijania się terenu wykorzystuje tę reakcję, wzmacniając sygnał radarowy i kierując go w dół. Problemy te można przezwyciężyć, dołączając mapę terenu otoczenia radaru i eliminując wszystkie echa, które wydają się pochodzić pod ziemią lub powyżej określonej wysokości. Monopuls można poprawić, zmieniając algorytm elewacji używany przy małej wysokości. W nowszych urządzeniach radarowych do kontroli ruchu lotniczego algorytmy są wykorzystywane do identyfikowania fałszywych celów poprzez porównywanie bieżących powrotów impulsów z tymi sąsiednimi, a także obliczanie nieprawdopodobieństw powrotu.

Zagłuszanie

Zagłuszanie radaru odnosi się do sygnałów o częstotliwości radiowej pochodzących ze źródeł poza radarem, przesyłanych na częstotliwości radaru, a tym samym maskujących interesujące cele. Zagłuszanie może być celowe, jak w przypadku taktyki walki elektronicznej , lub niezamierzone, jak w przypadku sprzętu obsługującego sojuszników, który nadaje na tym samym zakresie częstotliwości. Zagłuszanie jest uważane za aktywne źródło zakłóceń, ponieważ jest inicjowane przez elementy spoza radaru i generalnie niezwiązane z sygnałami radarowymi.

Zagłuszanie jest problematyczne dla radaru, ponieważ sygnał zagłuszający musi podróżować tylko w jedną stronę (od urządzenia zakłócającego do odbiornika radaru), podczas gdy echa radaru przemieszczają się w dwie strony (radar-cel-radar) i dlatego ich moc jest znacznie zmniejszona do czasu powrotu do odbiornika radarowego zgodnie z prawem odwrotności kwadratu . Dlatego też zakłócacze mogą być znacznie słabsze niż ich zagłuszane radary i nadal skutecznie maskują cele wzdłuż linii widzenia od zakłócacza do radaru ( zagłuszanie głównego płata ). Zagłuszacze mają dodatkowy efekt polegający na oddziaływaniu na radary wzdłuż innych linii widzenia poprzez listki boczne odbiornika radaru ( zagłuszanie listków bocznych ).

Zagłuszanie listka głównego można ogólnie zredukować jedynie poprzez zawężenie kąta bryłowego listka głównego i nie można go całkowicie wyeliminować, gdy stoi się bezpośrednio naprzeciw zakłócacza, który wykorzystuje tę samą częstotliwość i polaryzację co radar. Zakłócenia listków bocznych można przezwyciężyć, redukując listki boczne odbioru w konstrukcji anteny radaru oraz stosując antenę dookólną do wykrywania i ignorowania sygnałów innych niż listki główne. Inne techniki przeciwzakłóceniowe to przeskakiwanie częstotliwości i polaryzacja .

Przetwarzanie sygnału radarowego

Pomiar odległości

Czas tranzytowy

Radar impulsowy: mierzony jest czas podróży w obie strony, w którym impuls radarowy dociera do celu i powraca. Odległość jest proporcjonalna do tego czasu.

Jeden ze sposobów uzyskania pomiaru odległości opiera się na czasie przelotu : wysyłanie krótkiego impulsu sygnału radiowego (promieniowania elektromagnetycznego) i pomiar czasu potrzebnego na powrót odbicia. Odległość wynosi połowę czasu podróży w obie strony pomnożonej przez prędkość sygnału. Współczynnik połowy wynika z faktu, że sygnał musi dotrzeć do obiektu iz powrotem. Ponieważ fale radiowe rozchodzą się z prędkością światła , dokładny pomiar odległości wymaga zastosowania elektroniki o dużej prędkości. W większości przypadków odbiornik nie wykrywa powrotu podczas nadawania sygnału. Dzięki zastosowaniu dupleksera radar przełącza się między nadawaniem a odbiorem z ustaloną szybkością. Podobny efekt narzuca również maksymalny zasięg. W celu maksymalizacji zasięgu należy stosować dłuższe czasy między impulsami, określane jako czas powtarzania impulsów lub jego odwrotność, częstotliwość powtarzania impulsów.

Te dwa efekty są ze sobą sprzeczne i nie jest łatwo połączyć w jednym radarze zarówno dobry krótki zasięg, jak i dobry daleki zasięg. Dzieje się tak, ponieważ krótkie impulsy potrzebne do dobrej transmisji o minimalnym zasięgu mają mniejszą całkowitą energię, co sprawia, że ​​powroty są znacznie mniejsze, a cel trudniejszy do wykrycia. Można to zrównoważyć, używając większej liczby impulsów, ale skróciłoby to maksymalny zasięg. Tak więc każdy radar wykorzystuje określony rodzaj sygnału. Radary dalekiego zasięgu zwykle używają długich impulsów z dużymi opóźnieniami między nimi, a radary krótkiego zasięgu używają mniejszych impulsów z krótszym odstępem czasu. Ponieważ elektronika ulepszyła się, wiele radarów może teraz zmieniać częstotliwość powtarzania impulsów, zmieniając w ten sposób swój zasięg. Najnowsze radary wystrzeliwują dwa impulsy podczas jednej komórki, jeden dla krótkiego zasięgu (około 10 km (6,2 mil)) i oddzielny sygnał dla większego zasięgu (około 100 km (62 mil)).

Odległość można również mierzyć w funkcji czasu. Mila radarowa to czas, w którym impuls radarowy przebył jedną milę morską , odbił się od celu i powrócił do anteny radaru. Ponieważ milę morską definiuje się jako 1852 m, to podzielenie tej odległości przez prędkość światła (299 792 458 m/s), a następnie pomnożenie wyniku przez 2 daje wynik trwający 12,36 μs.

Modulacja częstotliwości

Radar fali ciągłej (CW). Zastosowanie modulacji częstotliwości pozwala na wyodrębnienie zakresu.

Inna forma radaru do pomiaru odległości opiera się na modulacji częstotliwości. W tych systemach częstotliwość nadawanego sygnału zmienia się w czasie. Ponieważ sygnał potrzebuje skończonego czasu, aby dotrzeć do i od celu, odbierany sygnał ma inną częstotliwość niż ta, którą transmituje nadajnik w momencie, gdy odbity sygnał dociera z powrotem do radaru. Porównując częstotliwość dwóch sygnałów, różnicę można łatwo zmierzyć. Można to łatwo osiągnąć z bardzo dużą dokładnością nawet w elektronice z lat czterdziestych. Kolejną zaletą jest to, że radar może działać skutecznie przy stosunkowo niskich częstotliwościach. Było to ważne we wczesnym rozwoju tego typu, gdy generowanie sygnału o wysokiej częstotliwości było trudne lub kosztowne.

Ta technika może być stosowana w radarach z falą ciągłą i często spotykana w radarowych wysokościomierzach samolotów . W tych systemach sygnał radarowy „nośnika” jest modulowany częstotliwościowo w przewidywalny sposób, zwykle zmieniający się w górę iw dół za pomocą fali sinusoidalnej lub wzoru piłokształtnego przy częstotliwościach audio. Sygnał jest następnie wysyłany z jednej anteny i odbierany na innej, zwykle znajdującej się na spodzie samolotu, a sygnał może być w sposób ciągły porównywany za pomocą prostego modulatora częstotliwości dudnienia , który wytwarza ton częstotliwości audio ze zwróconego sygnału i części transmitowany sygnał.

Wskaźnik modulacji zależny od odbieranego sygnału jest proporcjonalny do opóźnienia czasowego między radarem a reflektorem. Przesunięcie częstotliwości staje się większe wraz z większym opóźnieniem. Przesunięcie częstotliwości jest wprost proporcjonalne do przebytej odległości. Odległość ta może być wyświetlana na instrumencie, a także dostępna przez transponder . To przetwarzanie sygnału jest podobne do stosowanego w radarze dopplerowskim wykrywającym prędkość. Przykładowe systemy korzystające z tego podejścia to AZUSA , MISTRAM i UDOP .

Radar naziemny wykorzystuje sygnały FM o małej mocy, które obejmują większy zakres częstotliwości. Wielokrotne odbicia są analizowane matematycznie pod kątem zmian wzoru z wielokrotnymi przejściami, tworząc skomputeryzowany obraz syntetyczny. Wykorzystywane są efekty Dopplera, które pozwalają na wykrywanie wolno poruszających się obiektów, a także w dużej mierze eliminują „szum” z powierzchni akwenów.

Kompresja impulsu

Obie opisane powyżej techniki mają swoje wady. Technika pomiaru czasu impulsu ma nieodłączny kompromis polegający na tym, że dokładność pomiaru odległości jest odwrotnie proporcjonalna do długości impulsu, podczas gdy energia, a tym samym zakres kierunku, jest bezpośrednio powiązana. Zwiększanie mocy w celu uzyskania większego zasięgu przy jednoczesnym zachowaniu dokładności wymaga niezwykle wysokiej mocy szczytowej, a radary wczesnego ostrzegania z lat 60. często pracują w dziesiątkach megawatów. Metody fali ciągłej rozkładają tę energię w czasie, a zatem wymagają znacznie niższej mocy szczytowej w porównaniu z technikami impulsowymi, ale wymagają pewnej metody pozwalającej na jednoczesne działanie wysyłanych i odbieranych sygnałów, często wymagając dwóch oddzielnych anten.

Wprowadzenie nowej elektroniki w latach 60. umożliwiło połączenie tych dwóch technik. Rozpoczyna się dłuższym impulsem, który jest również modulowany częstotliwościowo. Rozłożenie energii transmisji w czasie oznacza, że ​​można stosować niższe energie szczytowe, z nowoczesnymi przykładami zwykle rzędu dziesiątek kilowatów. W momencie odbioru sygnał jest przesyłany do systemu, który opóźnia różne częstotliwości o różne czasy. Wynikowy sygnał wyjściowy jest znacznie krótszym impulsem, który jest odpowiedni do dokładnego pomiaru odległości, jednocześnie kompresując odbieraną energię do znacznie wyższego szczytu energii, a tym samym zmniejszając stosunek sygnału do szumu. Technika ta jest w dużej mierze uniwersalna w nowoczesnych dużych radarach.

Pomiar prędkości

Prędkość to zmiana odległości do obiektu w czasie. W ten sposób istniejący system pomiaru odległości, w połączeniu z pojemnością pamięci, aby zobaczyć, gdzie był ostatni cel, wystarcza do pomiaru prędkości. Kiedyś pamięć polegała na tym, że użytkownik robił tłuste ślady ołówkiem na ekranie radaru, a następnie obliczał prędkość za pomocą suwaka . Nowoczesne systemy radarowe wykonują równoważną operację szybciej i dokładniej przy użyciu komputerów.

Jeśli wyjście przetwornika jest spójne (zsynchronizowane fazowo), istnieje jeszcze jeden efekt, który można wykorzystać do niemal natychmiastowych pomiarów prędkości (nie jest wymagana pamięć), znany jako efekt Dopplera . Większość nowoczesnych systemów radarowych wykorzystuje tę zasadę w radarach dopplerowskich i radarach impulsowych ( radar pogodowy , radar wojskowy). Efekt Dopplera jest w stanie określić jedynie względną prędkość celu wzdłuż linii widzenia od radaru do celu. Żadna składowa prędkości celu prostopadła do linii wzroku nie może być określona przy użyciu samego efektu Dopplera, ale może być określona poprzez śledzenie azymutu celu w czasie.

Możliwe jest wykonanie radaru dopplerowskiego bez pulsowania, znanego jako radar fali ciągłej (radar CW), wysyłając bardzo czysty sygnał o znanej częstotliwości. Radar CW jest idealny do wyznaczania składowej promieniowej prędkości celu. Radar CW jest zwykle używany przez organy ścigania do szybkiego i dokładnego pomiaru prędkości pojazdu tam, gdzie zasięg nie jest istotny.

W przypadku korzystania z radaru impulsowego, zmienność pomiędzy fazami kolejnych powrotów daje odległość, jaką cel przebył między impulsami, a tym samym można obliczyć jego prędkość. Inne osiągnięcia matematyczne w przetwarzaniu sygnałów radarowych obejmują analizę czasowo-częstotliwościową (Weyl Heisenberg lub wavelet ), a także transformację chirplet , która wykorzystuje zmianę częstotliwości powrotów z ruchomych celów („chirp”).

Przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera

Przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera. Oś Range Sample reprezentuje poszczególne próbki pobrane pomiędzy każdym przesyłanym impulsem. Oś przedziału zakresu reprezentuje każdy kolejny przedział impulsu transmisji, podczas którego pobierane są próbki. Proces szybkiej transformacji Fouriera przekształca próbki w dziedzinie czasu na widma w dziedzinie częstotliwości. Nazywa się to czasem łożem gwoździ .

Przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera obejmuje filtrowanie częstotliwości w procesie wykrywania. Przestrzeń pomiędzy każdym impulsem nadawczym jest podzielona na komórki zasięgu lub bramki zasięgu. Każda komórka jest filtrowana niezależnie, podobnie jak w procesie używanym przez analizator widma, aby wyświetlić wyświetlacz pokazujący różne częstotliwości. Każda inna odległość daje inne widmo. Widma te są wykorzystywane do przeprowadzenia procesu wykrywania. Jest to wymagane, aby osiągnąć akceptowalną wydajność w nieprzyjaznym środowisku obejmującym pogodę, teren i elektroniczne środki zaradcze.

Głównym celem jest pomiar zarówno amplitudy, jak i częstotliwości zagregowanego sygnału odbitego z wielu odległości. Jest on używany z radarem pogodowym do pomiaru prędkości wiatru promieniowego i natężenia opadów w każdej różnej objętości powietrza. Jest to połączone z systemami obliczeniowymi w celu stworzenia elektronicznej mapy pogodowej w czasie rzeczywistym. Bezpieczeństwo statku powietrznego zależy od ciągłego dostępu do dokładnych informacji z radaru pogodowego, które są wykorzystywane do zapobiegania urazom i wypadkom. Radar pogodowy wykorzystuje niski PRF . Wymagania dotyczące spójności nie są tak surowe, jak te dla systemów wojskowych, ponieważ poszczególne sygnały zwykle nie muszą być rozdzielone. Wymagane jest mniej wyrafinowane filtrowanie, a przetwarzanie niejednoznaczności zasięgu nie jest zwykle potrzebne w przypadku radaru pogodowego w porównaniu z radarem wojskowym przeznaczonym do śledzenia pojazdów powietrznych.

Alternatywnym celem jest zdolność „ spojrzenia/zestrzelenia ” wymagana do poprawy przeżywalności w wojskowych walkach powietrznych. Pulse-Doppler jest również używany do naziemnego radaru nadzoru wymaganego do obrony personelu i pojazdów. Przetwarzanie sygnału Dopplera impulsowego zwiększa maksymalną odległość wykrywania przy mniejszym promieniowaniu w pobliżu pilotów samolotów, personelu pokładowego, piechoty i artylerii. Odbicia od terenu, wody i pogody wytwarzają sygnały znacznie większe niż samoloty i pociski, co pozwala szybko poruszającym się pojazdom ukryć się za pomocą technik latania na ziemi i technologii stealth, aby uniknąć wykrycia, dopóki pojazd szturmowy nie znajdzie się zbyt blisko, by go zniszczyć. Przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera obejmuje bardziej wyrafinowane filtrowanie elektroniczne, które bezpiecznie eliminuje tego rodzaju słabości. Wymaga to użycia średniej częstotliwości powtarzania impulsów ze sprzętem o spójnej fazie, który ma duży zakres dynamiki. Zastosowania wojskowe wymagają średniego PRF , co zapobiega bezpośredniemu określeniu zasięgu, a przetwarzanie rozdzielczości niejednoznaczności zasięgu jest wymagane do zidentyfikowania prawdziwego zasięgu wszystkich odbitych sygnałów. Ruch promieniowy jest zwykle powiązany z częstotliwością Dopplera, aby wytworzyć sygnał blokujący, którego nie mogą wytworzyć sygnały zagłuszające radar. Przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera wytwarza również sygnały dźwiękowe, które można wykorzystać do identyfikacji zagrożeń.

Redukcja efektów interferencyjnych

Przetwarzanie sygnału jest wykorzystywane w systemach radarowych w celu zmniejszenia wpływu zakłóceń radarowych . Techniki przetwarzania sygnału obejmują wskazanie celu ruchomego , przetwarzanie sygnału impulsowego Dopplera , procesory wykrywania ruchomych celów, korelację z celami wtórnego radaru dozorowania , przetwarzanie adaptacyjne czasoprzestrzenne oraz śledzenie przed wykryciem . Stały wskaźnik fałszywych alarmów i przetwarzanie cyfrowego modelu terenu są również wykorzystywane w środowiskach z dużą ilością miejsc.

Ekstrakcja działek i ścieżek

Algorytm śledzenia to strategia poprawy wydajności radaru. Algorytmy śledzenia zapewniają możliwość przewidywania przyszłej pozycji wielu poruszających się obiektów na podstawie historii poszczególnych pozycji zgłaszanych przez systemy czujników.

Informacje historyczne są gromadzone i wykorzystywane do przewidywania przyszłej pozycji do wykorzystania w kontroli ruchu lotniczego, szacowaniu zagrożenia, doktrynie systemu walki, celowaniu broni i naprowadzaniu pocisków. Dane o położeniu są gromadzone przez czujniki radarowe w ciągu kilku minut.

Istnieją cztery popularne algorytmy śledzenia.

Radarowe sygnały wizyjne z samolotu mogą zostać poddane procesowi wyodrębniania wykresu, w którym fałszywe i zakłócające sygnały są odrzucane. Sekwencja zwrotów docelowych może być monitorowana za pomocą urządzenia zwanego ekstraktorem wykresów.

Nieistotne zwroty w czasie rzeczywistym można usunąć z wyświetlanych informacji i wyświetlić pojedynczy wykres. W niektórych systemach radarowych lub alternatywnie w systemie dowodzenia i kontroli, do którego podłączony jest radar, wykorzystuje się lokalizator radarowy w celu powiązania sekwencji wykresów należących do poszczególnych celów oraz oszacowania kierunków i prędkości celów.

Inżynieria

Komponenty radarowe

Komponenty radaru to:

  • Nadajnik , który generuje sygnał radiowy za pomocą oscylatora, takiego jak klistron lub magnetron i steruje jego czasem trwania za pomocą modulatora .
  • Falowód łączący nadajnik i antenę.
  • Duplekser , który służy jako przełącznik między anteną a nadajnikiem lub odbiornikiem sygnału, gdy antena jest używana w obu sytuacjach.
  • Odbiornik . _ Znając kształt pożądanego odbieranego sygnału (impulsu), optymalny odbiornik można zaprojektować za pomocą dopasowanego filtra .
  • Procesor wyświetlacza do generowania sygnałów dla urządzeń wyjściowych czytelnych dla człowieka .
  • Sekcja elektroniczna, która steruje wszystkimi tymi urządzeniami oraz anteną do wykonywania skanów radarowych zleconych przez oprogramowanie.
  • Link do urządzeń i wyświetlaczy użytkowników końcowych.

Konstrukcja anteny

Antena AS-3263/SPS-49(V) (marynarka amerykańska)

Sygnały radiowe nadawane z jednej anteny będą rozchodzić się we wszystkich kierunkach i podobnie pojedyncza antena będzie odbierać sygnały równomiernie ze wszystkich kierunków. To pozostawia radar z problemem decydowania, gdzie znajduje się obiekt docelowy.

Wczesne systemy wykorzystywały dookólne anteny rozgłoszeniowe z kierunkowymi antenami odbiorczymi, które były skierowane w różnych kierunkach. Na przykład pierwszy system, który ma zostać wdrożony, Chain Home, wykorzystywał do odbioru dwie proste anteny ustawione pod kątem prostym , każda na innym wyświetlaczu. Maksymalny powrót zostanie wykryty z anteną pod kątem prostym do celu, a minimalny z anteną skierowaną bezpośrednio na niego (koniec włączony). Operator mógł określić kierunek do celu, obracając antenę tak, aby jeden wyświetlacz pokazywał maksimum, a drugi minimum. Poważnym ograniczeniem tego typu rozwiązania jest to, że transmisja jest wysyłana we wszystkich kierunkach, więc ilość energii w badanym kierunku stanowi niewielką część transmitowanej. Aby uzyskać rozsądną moc na „celu”, antena nadawcza również powinna być kierunkowa.

Reflektor paraboliczny

Antena radaru dozorowania

Bardziej nowoczesne systemy wykorzystują sterowaną paraboliczną „czaszę”, aby stworzyć ciasną wiązkę transmisyjną, zwykle przy użyciu tej samej anteny co odbiornik. Takie systemy często łączą dwie częstotliwości radarowe w tej samej antenie, aby umożliwić automatyczne sterowanie lub blokadę radaru .

Odbłyśniki paraboliczne mogą być parabolami symetrycznymi lub parabolami zepsutymi: symetryczne anteny paraboliczne wytwarzają wąską wiązkę „ołówkową” zarówno w wymiarach X, jak i Y, a w konsekwencji mają większe wzmocnienie. Radar pogodowy NEXRAD Pulse-Doppler wykorzystuje symetryczną antenę do wykonywania szczegółowych skanów wolumetrycznych atmosfery. Zepsute anteny paraboliczne wytwarzają wąską wiązkę w jednym wymiarze i stosunkowo szeroką wiązkę w drugim. Ta funkcja jest przydatna, jeśli wykrywanie celu w szerokim zakresie kątów jest ważniejsze niż lokalizacja celu w trzech wymiarach. Większość radarów do monitoringu 2D wykorzystuje zepsutą antenę paraboliczną o wąskiej azymutalnej szerokości wiązki i szerokiej pionowej szerokości wiązki. Taka konfiguracja wiązki umożliwia operatorowi radaru wykrycie statku powietrznego w określonym azymucie, ale na nieokreślonej wysokości. Odwrotnie, tak zwane radary „pochylające się” wykorzystują czaszę o wąskiej pionowej szerokości wiązki i szerokiej azymutalnej szerokości wiązki do wykrywania samolotu na określonej wysokości, ale z niską dokładnością azymutalną.

Rodzaje skanowania

  • Skanowanie pierwotne: Technika skanowania, w której główna antena anteny jest przesuwana w celu wytworzenia wiązki skanującej, na przykład skanowanie kołowe, skanowanie sektorowe itp.
  • Skanowanie wtórne: Technika skanowania, w której zasilanie anteny jest przesuwane w celu wytworzenia wiązki skanującej, przykłady obejmują skanowanie stożkowe, jednokierunkowe skanowanie sektorowe, przełączanie płatów itp.
  • Palmer Scan: technika skanowania, która wytwarza wiązkę skanującą poprzez przesuwanie głównej anteny i jej zasilania. Skan Palmera jest kombinacją skanowania podstawowego i dodatkowego.
  • Skanowanie stożkowe : Wiązka radaru jest obracana w małym okręgu wokół osi „boresight”, która jest skierowana na cel.

Falowód szczelinowy

Szczelinowa antena falowodu

Stosowany podobnie do reflektora parabolicznego, szczelinowy falowód jest poruszany mechanicznie w celu skanowania i jest szczególnie odpowiedni dla nieśledzących systemów skanowania powierzchni, gdzie pionowy wzór może pozostać stały. Ze względu na niższy koszt i mniejszą ekspozycję na wiatr, radary pokładowe, na powierzchni lotnisk i w portach wykorzystują teraz to podejście zamiast anteny parabolicznej.

Tablica fazowa

Układ fazowany : Nie wszystkie anteny radarowe muszą się obracać, aby skanować niebo.

Inną metodą sterowania jest radar z układem fazowym.

Anteny z układem fazowym składają się z równomiernie rozmieszczonych podobnych elementów antenowych, takich jak anteny lub rzędy falowodów szczelinowych. Każdy element antenowy lub grupa elementów antenowych zawiera dyskretne przesunięcie fazowe, które wytwarza gradient fazowy w całym szyku. Na przykład, elementy matrycy wytwarzające przesunięcie fazowe o 5 stopni dla każdej długości fali w poprzek czoła matrycy będą wytwarzać wiązkę skierowaną w odległości 5 stopni od linii środkowej prostopadłej do czoła matrycy. Sygnały poruszające się wzdłuż tej belki zostaną wzmocnione. Sygnały odsunięte od tej wiązki zostaną anulowane. Wielkość wzmocnienia to zysk anteny . Kwota anulowania to tłumienie płata bocznego.

Radary z układem fazowym są używane od najwcześniejszych lat radarów podczas II wojny światowej ( radar Mammut ), ale ograniczenia urządzeń elektronicznych doprowadziły do ​​​​słabej wydajności. Radary z układem fazowym były pierwotnie używane do obrony przeciwrakietowej (patrz na przykład Program Ochrony ). Są sercem pokładowego Systemu Bojowego Aegis i Systemu Rakietowego Patriot . Ogromna redundancja związana z posiadaniem dużej liczby elementów macierzy zwiększa niezawodność kosztem stopniowej degradacji wydajności, która pojawia się w przypadku awarii poszczególnych elementów fazowych. W mniejszym stopniu radary z układem fazowym były wykorzystywane w nadzorze pogodowym . Od 2017 r. NOAA planuje wdrożyć w ciągu 10 lat krajową sieć wielofunkcyjnych radarów z układem fazowym w całych Stanach Zjednoczonych do badań meteorologicznych i monitorowania lotów.

Anteny z układem fazowym mogą być budowane tak, aby pasowały do ​​określonych kształtów, takich jak pociski, pojazdy wsparcia piechoty, statki i samoloty.

Wraz ze spadkiem cen elektroniki, radary z układem fazowanym stały się bardziej powszechne. Prawie wszystkie nowoczesne wojskowe systemy radarowe są oparte na układach fazowanych, w których niewielki dodatkowy koszt jest równoważony zwiększoną niezawodnością systemu bez ruchomych części. Tradycyjne konstrukcje z ruchomymi antenami są nadal szeroko stosowane w rolach, w których koszt jest istotnym czynnikiem, takich jak nadzór ruchu lotniczego i podobne systemy.

Radary z układem fazowym są cenione do stosowania w samolotach, ponieważ mogą śledzić wiele celów. Pierwszym samolotem, w którym zastosowano radar z układem fazowanym, był B-1B Lancer . Pierwszym myśliwcem, w którym zastosowano fazowany radar radarowy był Mikoyan MiG-31 . Elektronicznie skanowany radar radarowy MiG-31M SBI-16 Zaslon Passive był uważany za najpotężniejszy na świecie radar myśliwski, dopóki nie wprowadzono elektronicznie skanowanego zestawu AN/APG-77 Active na myśliwcu Lockheed Martin F-22 Raptor .

Interferometria z układem fazowym lub techniki syntezy apertury , wykorzystujące szereg oddzielnych czasz, które są sfazowane w pojedynczą efektywną aperturę, nie są typowe dla zastosowań radarowych, chociaż są szeroko stosowane w radioastronomii . Ze względu na cieńszą matrycę , takie matryce z wieloma aperturami, stosowane w nadajnikach, powodują wąskie wiązki kosztem zmniejszenia całkowitej mocy przesyłanej do celu. W zasadzie takie techniki mogą zwiększyć rozdzielczość przestrzenną, ale mniejsza moc oznacza, że ​​generalnie nie jest to skuteczne.

Z drugiej strony synteza apertury poprzez przetwarzanie końcowe danych o ruchu z jednego ruchomego źródła jest szeroko stosowana w kosmicznych i lotniczych systemach radarowych .

Pasma częstotliwości

Anteny na ogół muszą mieć wielkość zbliżoną do długości fali częstotliwości roboczej, zwykle w zakresie rzędu wielkości . Stanowi to silną zachętę do stosowania krótszych długości fal, ponieważ spowoduje to powstanie mniejszych anten. Krótsze fale skutkują również wyższą rozdzielczością ze względu na dyfrakcję, co oznacza, że ​​odbłyśnik ukształtowany na większości radarów może być również mniejszy dla dowolnej szerokości wiązki.

Sprzeciwianie się przejściu na mniejsze długości fal to szereg praktycznych problemów. Po pierwsze, elektronika potrzebna do wytwarzania bardzo krótkich fal o dużej mocy była ogólnie bardziej złożona i kosztowna niż elektronika potrzebna do dłuższych fal lub w ogóle nie istniała. Inną kwestią jest to, że efektywna wartość apertury równania radaru oznacza, że ​​dla każdego rozmiaru anteny (lub reflektora) będzie bardziej wydajny przy dłuższych długościach fal. Dodatkowo krótsze fale mogą wchodzić w interakcje z cząsteczkami lub kroplami deszczu w powietrzu, rozpraszając sygnał. Bardzo długie fale mają również dodatkowe efekty dyfrakcyjne, które czynią je odpowiednimi dla radarów nad horyzontem . Z tego powodu w różnych rolach stosuje się różne długości fal.

Tradycyjne nazwy zespołów powstały jako kryptonimy podczas II wojny światowej i nadal są używane w wojsku i lotnictwie na całym świecie. Zostały one przyjęte w Stanach Zjednoczonych przez Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników oraz na arenie międzynarodowej przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny . W większości krajów obowiązują dodatkowe przepisy określające, które części każdego pasma są dostępne do użytku cywilnego lub wojskowego.

Inni użytkownicy widma radiowego, tacy jak przemysł nadawczy i elektroniczne środki zaradcze , zastąpili tradycyjne oznaczenia wojskowe własnymi systemami.

Pasma częstotliwości radaru
Nazwa zespołu Zakres częstotliwości Zakres długości fali Uwagi
HF 3–30 MHz 10–100 Przybrzeżne systemy radarowe, radary pozahoryzontalne (OTH); 'Wysoka częstotliwość'
UKF 30–300 MHz 1–10 m² Bardzo duży zasięg, penetracja gruntu; „bardzo wysoka częstotliwość”. Wczesne systemy radarowe na ogół działały w VHF, ponieważ odpowiednia elektronika została już opracowana dla radia nadawczego. Obecnie pasmo to jest mocno przeciążone i nie nadaje się już do radarów z powodu zakłóceń.
P <300 MHz > 1 m² „P” oznacza „poprzedni”, stosowane z mocą wsteczną do wczesnych systemów radarowych; zasadniczo HF + VHF. Często używany do teledetekcji ze względu na dobrą penetrację roślinności.
UHF 300–1000 MHz 0,3–1 m² Bardzo duży zasięg (np . wczesne ostrzeganie o pociskach balistycznych ), penetracja gruntu, penetracja listowia; „ultra wysoka częstotliwość”. Wydajnie produkowane i odbierane na bardzo wysokich poziomach energii, a także zmniejsza skutki zaciemnienia jądrowego , dzięki czemu są przydatne w roli wykrywania pocisków.
L 1–2 GHz 15–30 cm Kontrola i nadzór ruchu lotniczego dalekiego zasięgu ; „L” oznacza „długo”. Szeroko stosowane w radarach wczesnego ostrzegania dalekiego zasięgu , ponieważ łączą dobre właściwości odbioru z rozsądną rozdzielczością.
S 2–4 GHz 7,5–15 cm Nadzór o średnim zasięgu, kontrola ruchu lotniczego w terminalu, pogoda dalekiego zasięgu, radar morski; „S” dla „sentymetrycznego”, jego kryptonimu podczas II wojny światowej. Mniej wydajne niż L, ale oferują wyższą rozdzielczość, co czyni je szczególnie przydatnymi do zadań przechwytywania sterowanych naziemnie na dalekie odległości .
C 4–8 GHz 3,75–7,5 cm Transpondery satelitarne; kompromis (stąd „C”) między pasmami X i S; pogoda; śledzenie dalekiego zasięgu
X 8–12 GHz 2,5–3,75 cm Naprowadzanie rakietowe , radar morski , pogoda, mapy w średniej rozdzielczości i nadzór naziemny; w Stanach Zjednoczonych wąski zakres 10,525 GHz ±25 MHz jest używany dla radarów lotniskowych ; śledzenie bliskiego zasięgu. Nazwany pasmem X, ponieważ częstotliwość była tajemnicą podczas II wojny światowej. Dyfrakcja z kropli deszczu podczas ulewnego deszczu ogranicza zasięg w roli wykrywania i sprawia, że ​​jest to odpowiednie tylko dla ról bliskiego zasięgu lub tych, które celowo wykrywają deszcz.
K 18-24 GHz 1,11–1,67 cm Z niemieckiego kurz , co oznacza „krótki”. Ograniczone zastosowanie ze względu na absorpcję przez parę wodną przy 22 GHz, więc Ku i Ka po obu stronach są używane do nadzoru. Pasmo K jest używane do wykrywania chmur przez meteorologów, a przez policję do wykrywania przekraczających prędkość kierowców. Działka radarowe działające w paśmie K działają z częstotliwością 24,150 ± 0,100 GHz.
Ku _ 12–18 GHz 1,67–2,5 cm Wysoka rozdzielczość, używana również do transponderów satelitarnych, częstotliwość w paśmie K (stąd „u”)
Ka _ 24–40 GHz 0,75–1,11 cm Mapowanie, krótki zasięg, nadzór lotniska; częstotliwość tuż powyżej pasma K (stąd „a”) Fotoradar, używany do wyzwalania kamer, które robią zdjęcia tablic rejestracyjnych samochodów na czerwonym świetle, pracuje z częstotliwością 34,300 ± 0,100 GHz.
mm 40–300 GHz 1,0–7,5  mm Taśma milimetrowa , podzielona jak poniżej. Tlen w powietrzu jest niezwykle skutecznym tłumikiem w okolicach 60 GHz, podobnie jak inne cząsteczki na innych częstotliwościach, prowadząc do tzw. okna propagacji przy 94 GHz. Nawet w tym oknie tłumienie jest wyższe niż spowodowane wodą o częstotliwości 22,2 GHz. To sprawia, że ​​częstotliwości te są ogólnie przydatne tylko w przypadku wysoce specyficznych radarów bliskiego zasięgu, takich jak systemy unikania linii energetycznych dla helikopterów lub w przestrzeni, gdzie tłumienie nie stanowi problemu. Różne grupy przypisują tym pasmom wiele liter. Pochodzą one z Baytron, nieistniejącej już firmy, która produkowała sprzęt testowy.
V 40–75 GHz 4,0–7,5 mm Bardzo silnie pochłaniany przez tlen atmosferyczny, który rezonuje z częstotliwością 60 GHz.
W 75–110 GHz 2,7–4,0 mm Używany jako czujnik wizualny do eksperymentalnych pojazdów autonomicznych, obserwacji meteorologicznych o wysokiej rozdzielczości i obrazowania.

Modulatory

Modulatory zapewniają kształt fali impulsu RF. Istnieją dwie różne konstrukcje modulatorów radarowych:

  • Przełącznik wysokiego napięcia dla oscylatorów z kluczem niekoherentnym Modulatory te składają się z generatora impulsów wysokiego napięcia utworzonego z zasilacza wysokiego napięcia, sieci formującej impulsy i przełącznika wysokiego napięcia, takiego jak tyratron . Generują one krótkie impulsy mocy do zasilania np. magnetronu , specjalnego typu lampy próżniowej, która zamienia prąd stały (zwykle impulsowy) na mikrofale. Ta technologia jest znana jako moc impulsowa . W ten sposób transmitowany impuls promieniowania RF jest utrzymywany przez określony i zwykle bardzo krótki czas trwania.
  • Miksery hybrydowe, zasilane przez generator przebiegów i wzbudnik dla złożonego, ale spójnego przebiegu. Ten przebieg może być generowany przez sygnały wejściowe małej mocy/niskiego napięcia. W takim przypadku nadajnik radarowy musi być wzmacniaczem mocy, np. klistronem lub nadajnikiem półprzewodnikowym. W ten sposób przesyłany impuls jest modulowany wewnątrzimpulsowo, a odbiornik radarowy musi wykorzystywać techniki kompresji impulsów .

Płyn chłodzący

Spójne wzmacniacze mikrofalowe działające powyżej 1000 watów mocy mikrofalowej, takie jak lampy z falą biegnącą i klistrony , wymagają płynnego chłodziwa. Wiązka elektronów musi zawierać od 5 do 10 razy więcej mocy niż moc wyjściowa mikrofal, która może wytworzyć wystarczającą ilość ciepła do wytworzenia plazmy. Ta plazma płynie z kolektora w kierunku katody. To samo ogniskowanie magnetyczne, które kieruje wiązkę elektronów, wymusza ruch plazmy na ścieżce wiązki elektronów, ale płynącej w przeciwnym kierunku. Wprowadza to modulację FM, która obniża wydajność Dopplera. Aby temu zapobiec, wymagane jest płynne chłodziwo o minimalnym ciśnieniu i przepływie, a woda dejonizowana jest zwykle używana w większości powierzchniowych systemów radarowych o dużej mocy, które wykorzystują przetwarzanie Dopplera.

Coolanol ( ester krzemianowy ) był używany w kilku radarach wojskowych w latach 70-tych. Jest jednak higroskopijny , co prowadzi do hydrolizy i powstania wysoce łatwopalnego alkoholu. Stratę samolotu US Navy w 1978 r. przypisano pożarowi estrów krzemianowych. Coolanol jest również drogi i toksyczny. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych ustanowiła program o nazwie Zapobieganie Zanieczyszczeniom (P2) w celu wyeliminowania lub zmniejszenia objętości i toksyczności odpadów, emisji do powietrza i zrzutów ścieków. Z tego powodu Coolanol jest dziś używany rzadziej.

Przepisy prawne

Radar (również: RADAR ) jest zdefiniowany w artykule 1.100 Regulaminu Radiokomunikacyjnego ITU (RR) Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ( ITU ) jako:

System radiodeterminacji oparty na porównaniu sygnałów referencyjnych z sygnałami radiowymi odbitymi lub retransmitowanymi od pozycji, która ma być określona. Każdy system radiolokacyjny powinien być sklasyfikowany przez służbę radiokomunikacyjną, w której działa stale lub czasowo. Typowe zastosowania radarów to radar pierwotny i radar wtórny , które mogą działać w służbie radiolokalizacyjnej lub radiolokacyjnej-satelitarnej .

Konfiguracje

Radary występują w różnych konfiguracjach w nadajniku, odbiorniku, antenie, długości fali, strategiach skanowania itp.

Zobacz też

Definicje
Aplikacja
Sprzęt komputerowy
Podobne metody wykrywania i określania odległości
Radary historyczne

Uwagi i referencje

Bibliografia

Bibliografia

Ogólny

  • Reg Batt (1991). Armia radarowa: zwycięstwo w wojnie na fale radiowe . Numer ISBN 978-0-7090-4508-3.
  • EG Bowen (1 stycznia 1998). Dni radarowe . Taylora i Francisa. Numer ISBN 978-0-7503-0586-0.
  • Michael Bragg (1 maja 2002). RDF1: Lokalizacja samolotu metodami radiowymi 1935-1945 . Wydawnictwo Twayne. Numer ISBN 978-0-9531544-0-1.
  • Louis Brown (1999). Radarowa historia II wojny światowej: imperatywy techniczne i militarne . Taylora i Francisa. Numer ISBN 978-0-7503-0659-1.
  • Roberta Buderiego (1996). Wynalazek, który zmienił świat: jak niewielka grupa pionierów radarów wygrała II wojnę światową i zapoczątkowała rewolucję technologiczną . Numer ISBN 978-0-684-81021-8.
  • Burch, David F., Radar dla marynarzy , McGraw Hill, 2005, ISBN  978-0-07-139867-1 .
  • Iana Goulta (2011). Sekretna lokalizacja: świadek narodzin radaru i jego powojennych wpływów . Historia Naciśnij. Numer ISBN 978-0-7524-5776-5.
  • Peter S. Hall (marzec 1991). Radar . Potomac Books Inc. ISBN 978-0-08-037711-7.
  • Derek Howse; Naval Radar Trust (luty 1993). Radar na morzu: królewska marynarka wojenna w czasie II wojny światowej . Wydawnictwo Instytutu Marynarki Wojennej. Numer ISBN 978-1-55750-704-4.
  • RV Jones (sierpień 1998). Najbardziej tajna wojna . Wordsworth Editions Ltd. ISBN 978-1-85326-699-7.
  • Kaiser, Gerald, rozdział 10 w „A Friendly Guide to Wavelets”, Birkhauser, Boston, 1994.
  • Colina Lathama; Annę Stobbs (styczeń 1997). Radar: cud wojny . Sutton Pub Ltd. ISBN 978-0-7509-1643-1.
  • François Le Chevalier (2002). Zasady przetwarzania sygnałów radarowych i sonarowych . Wydawnictwo Artech House. Numer ISBN 978-1-58053-338-6.
  • David Pritchard (sierpień 1989). Wojna radarowa: pionierskie osiągnięcie Niemiec w latach 1904-45 . Harperkoliny. Numer ISBN 978-1-85260-246-8.
  • Merrill Ivan Skolnik (1 grudnia 1980). Wprowadzenie do systemów radarowych . Numer ISBN 978-0-07-066572-9.
  • Merrill Iwan Skolnik (1990). Podręcznik radarowy . McGraw-Hill profesjonalista. Numer ISBN 978-0-07-057913-2.
  • George W. Stimson (1998). Wprowadzenie do radaru lotniczego . Wydawnictwo SciTech. Numer ISBN 978-1-891121-01-2.
  • Younghusband, Eileen., Nie zwykłe życie. Jak zmiana czasów przyniosła wydarzenia historyczne do mojego życia , Cardiff Center for Lifelong Learning, Cardiff, 2009., ISBN  978-0-9561156-9-0 (strony 36-67 zawierają doświadczenia plotera radarowego WAAF podczas II wojny światowej).
  • Młodymąż, Eileen. Wojna jednej kobiety . Cardiff. Książki na cukierki. 2011. ISBN  978-0-9566826-2-8
  • David Zimmerman (luty 2001). Tarcza Wielkiej Brytanii: radar i klęska Luftwaffe . Sutton Pub Ltd. ISBN 978-0-7509-1799-5.

Czytanie techniczne

Zewnętrzne linki