Импульсно-доплеровский радар — это радиолокационная система, в которой определение дальности до цели выполняется путём измерения времени задержки отражённого от неё зондирующего сигнала, а определение скорости цели — по сдвигу частоты отражённого сигнала, возникающему вследствие эффекта Доплера. Такой радиолокатор сочетает в себе функции импульсных радаров и радаров с непрерывным излучением, которые ранее были разделены из-за сложности совместной реализации на существовавшей тогда элементной базе.

История

Первый действующий импульсный доплеровский радар был использован в американской сверхзвуковой ракете большой дальности CIM-10 Bomarc, имеющей прямоточные реактивные двигатели и оснащенной ядерным оружием W40 для уничтожения целых соединений атакующих самолётов противника. Импульсно-доплеровские системы впервые широко использовались на истребителях, начиная с 1960-х годов. В более ранних радарах использовали метод измерения времени задержки отраженных импульсов для определения дальности цели и угла поворота антенны (или аналогичных средств) для определения направления на цель. Однако такой метод работал только тогда, когда антенна радара не была направлена вниз; в этом случае отражение от земли подавляло любые отражения от других объектов. Поскольку при движении самолёта земля движется с той же скоростью, что и самолёт, но в противоположном направлении, методы, основанные на использовании эффекта Допплера, позволяют отфильтровать отраженные от земли сигналы, обеспечивая обнаружение сигналов, отраженных от целей. Это дает возможность импульсно-доплеровским радарам использовать метод «смотреть вниз и сбивать». Вторичным преимуществом военной РЛС является снижение уровня излучаемой мощности при одновременном достижении приемлемых характеристик для повышения скрытности радара.

Импульсно-доплеровские методы также находят широкое применение в метеорологических радарах, позволяя радару определять скорость ветра по скорости движения любых осадков в воздухе. Импульсно-доплеровский метод радиолокации также применяется в радарах с синтезированной апертурой, используемых в радиоастрономии, дистанционном зондировании Земли и картографировании. При решении задач управления воздушным движением этот метод применяется для выделения сигналов от самолётов на фоне пассивных помех. Помимо вышеперечисленных традиционных приложений радиолокационного наблюдения, импульсно-доплеровский метод радиолокации успешно применяется в здравоохранении, например, для оценки риска падения и обнаружения падения, в медицинских или клинических целях.

Принцип работы импульсного радара

Измерение дальности

Импульсно-доплеровские системы измеряют дальность до объекта путем измерения времени, прошедшего между моментом излучения импульса энергии (зондирующего сигнала) и моментом приема импульса, отраженного от объекта. Радиоволны распространяются прямолинейно с известной постоянной скоростью — скоростью света, поэтому расстояние до объекта определяется путем измерения времени распространения сигнала от антенны радара до объекта и обратно, умножения его на значение скорости света и деления полученного результата на два (чем учитывается распространение сигнала туда и обратно).

Измерение скорости, длины волны, вызванное движением источника

Функционирование импульсно-доплеровского радара основано на эффекте Доплера, который заключается в том, что движение цели вызывает сдвиг частоты отраженного от неё сигнала. Радиальная скорость имеет важное значение для работы импульсно-доплеровского радара. Когда цель перемещается в промежутке между каждым зондирующим импульсом, отраженные сигналы получают разность фаз, или сдвиг фазы, от импульса к импульсу. Это приводит к тому, что цель производит доплеровскую модуляцию отражённого сигнала.

В импульсно-доплеровские радарах этот эффект используется для улучшения функциональных характеристик. Амплитуда в последовательности отраженных импульсов от одного и того же сканируемого объёма равна

где

x0 — расстояние от радара до цели, λ — длина волны радара, v — скорость, Δ t — время между двумя импульсами, Θ — фаза волны импульсного сигнала

Таким образом вычисляем:

где Δ Θ — фазовый сдвиг, вызванный изменением дальности цели. Откуда можно найти скорость

Это позволяет радару разделять отражённые сигналы от нескольких объектов, расположенных в одном и том же объёме пространства, разделяя их на основе различий спектральных характеристик.

Преимущества Скорость отклонения выбирается в импульсно-доплеровских системах для обнаружения самолётов, поэтому ничего ниже этой скорости не будет обнаружено. Луч антенны в один градус освещает миллионы квадратных метров местности на расстоянии 16 км, и это приводит к тысячам обнаружений на горизонте или ниже, если не используется доплеровский режим. Импульсно-доплеровский радар использует определённые заданные критерии обработки сигналов для исключения нежелательных сигналов от медленно движущихся объектов. Это также известно как отказ от помех. Скорость отбрасывания обычно устанавливается чуть выше преобладающей скорости ветра (от 15 до 150 км/час). Этот порог скорости для метеорологического радара устанавливается намного ниже. Доплеровская частота × скорость свет в квадрате, делённая на удвоенную частоту передачи должны быть больше порога скорости.

В бортовом импульсно-доплеровском радаре порог скорости смещается на скорость самолёта относительно земли с учётом смещения (cos Θ).

где Θ — угловое смещение между положением антенны и траекторией полёта самолёта. Отражения от поверхности появляются почти во всех радарах. Наземные помехи обычно появляются в круговой области в радиусе около 40 км вблизи наземных радаров. Это расстояние простирается гораздо дальше в бортовой и космической радиолокации.

Помехи возникают из-за того, что радиолуч отражается от поверхности земли, зданий и растительности. Помехи реагируют даже на погоду в радаре, предназначенном для обнаружения и сообщения о самолётах и космических кораблях. Помехи создают область уязвимости в радаре во временной области амплитуды импульсов. Недоплеровские радиолокационные системы не могут быть направлены непосредственно на землю из-за чрезмерного количества ложных тревог, которые перегружают компьютеры и операторов. Чувствительность должна быть снижена вблизи помех, чтобы избежать перегрузки. Эта уязвимость начинается в области низких высот на несколько величин ширины луча над горизонтом, и распространяется вниз. Это также существует во всем объёме движущегося воздуха, связанного с погодным явлением. Импульсно-доплеровский радар корректирует это следующим образом:

* направляет антенну радара непосредственно на землю, не перегружая компьютер и не снижая чувствительность.

* заполняет область уязвимости, связанную с радаром во временной области по амплитуде импульсов для обнаружения небольших объектов вблизи местности и погоды.

* увеличивает дальность обнаружения на 300 % или более по сравнению с индикацией движущейся цели (MTI) за счет улучшения видимости под помехами.

Возможность подавления помех около 60 дБ необходима для возможности поиска/сбивания, и импульсный доплер является единственной стратегией, которая

может удовлетворить это требование. Это устраняет уязвимости, связанные окружающей средой на малых высотах и за горизонтом. Сжатие импульсов и индикатор движущейся цели (MTI) обеспечивают видимость суб-помех до 25 дБ. Луч антенны MTI направлен выше горизонта, чтобы избежать чрезмерной частоты ложных тревог, что делает системы уязвимыми. Самолёты и некоторые ракеты используют эту слабость, используя технику, называемую полётом ниже радара, чтобы избежать обнаружения (Nap-of-the-earth). Эта техника полета неэффективна против импульсно-доплеровского радара.

Импульсный доплер обеспечивает преимущество при попытке обнаружения ракет и самолётов с низкой видимостью, летящих низко, морской поверхности и погоды. Звуковой доплер и размер цели поддерживают пассивную классификацию типа транспортного средства, когда идентификация свой/чужой недоступна по сигналу транспондера. Средняя частота следования импульсов (PRF) — отражённых микроволновых сигналов, составляет от 1500 до 15000 циклов в секунду (Герц), что является слышимым диапазоном. Это означает, что вертолёт звучит как вертолёт, реактивный самолёт звучит как реактивный самолёт, а винтовые самолёты звучат как пропеллеры. Самолёты даже без движущихся частей издают звук, и даже фактический размер цели можно рассчитать с помощью звукового сигнала.

Недостатки Максимальный диапазон от отражательной способности (красный) до однозначного диапазона доплеровской скорости (синий) с фиксированной частотой повторения импульсов. Обработка неоднозначности требуется, когда целевой диапазон находится выше красной линии на графике, что увеличивает время сканирования.

Время сканирования является критическим фактором для некоторых систем, поскольку транспортные средства, движущиеся со скоростью звука или выше, могут преодолевать 1,6 км каждые несколько секунд, такие как Exocet, Harpoon, Х-22, и ракеты класса «воздух-воздух».

Максимальное время для сканирования всего объёма неба должно составлять порядка десятка секунд или меньше для систем, работающих в этой среде. Сам по себе импульсный доплеровский радар может работать слишком медленно, чтобы покрыть весь объём пространства над горизонтом, если не используется веерный луч. Этот подход используется с радаром наблюдения за воздушным пространством очень большого радиуса действия AN / SPS 49 (V) 5, который жертвует измерением высоты ради увеличения скорости.

Движение антенны импульсного доплера должно быть достаточно медленным, чтобы все отражённые сигналы от как минимум 3 различных PRF могли быть обработаны до максимально ожидаемого диапазона обнаружения. Это известно как время пребывания. Движение антенны для импульсного доплера должно быть таким же медленным, как у радара, использующего MTI. Поисковый радар, включающий импульсный доплеровский режим, обычно является двухрежимным, поскольку наилучшие общие характеристики достигаются, когда импульсный доплеровский режим используется для областей с высокой частотой ложных тревог (горизонт или ниже и погода), в то время как обычный радар будет сканировать быстрее в свободном пространстве, где ложные частота тревог низкая (над горизонтом при чистом небе).

Тип антенны является важным фактором для мультирежимного радара, поскольку нежелательный фазовый сдвиг, вносимый антенной радара, может ухудшить измерения производительности для видимости суб-помех.

Обработка сигналов Улучшение обработки сигналов с помощью импульсного доплера позволяет обнаруживать небольшие высокоскоростные объекты в непосредственной близости от больших медленно движущихся отражателей. Для этого передатчик должен быть когерентным и давать низкий фазовый шум в течение интервала обнаружения, и приёмник должен иметь большой одномоментный динамический диапазон.

* Подробное объяснение обработки импульсно-доплеровского сигнала

Обработка импульсно-доплеровского сигнала также включает разрешение неоднозначности для определения истинного диапазона и скорости.

* Подробное объяснение разрешения неоднозначности

Принятые сигналы от множества PRF сравниваются для определения истинного диапазона с использованием процесса разрешения неоднозначности диапазона.

* Подробное объяснение разрешения неоднозначности диапазона

Принятые сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности частоты.

* Подробное объяснение разрешения неоднозначности частоты

Разрешение диапазона Разрешение по дальности — это минимальное расстояние между двумя объектами, движущимися с одинаковой скоростью, прежде чем радар сможет обнаружить два дискретных отражения:

В дополнение к этому пределу выборки длительность переданного импульса может означать, что сигналы от двух целей будут приниматься одновременно от разных частей импульса.

Разрешение по скорости