Radar monopulso - Monopulse radar
O radar monopulso é um sistema de radar que usa codificação adicional do sinal de rádio para fornecer informações direcionais precisas. O nome se refere à sua capacidade de extrair alcance e direção de um único pulso de sinal.
O radar monopulso evita problemas observados em sistemas de radar de varredura cônica , que podem ser confundidos por mudanças rápidas na intensidade do sinal . O sistema também torna o bloqueio mais difícil. A maioria dos radares projetados desde 1960 são sistemas monopulso. O método monopulse também é usado em sistemas passivos, como medidas de suporte eletrônico e radioastronomia . Os sistemas de radar monopulso podem ser construídos com antenas refletoras , antenas de lente ou antenas de matriz .
Historicamente, os sistemas monopulso foram classificados como monopulso de comparação de fase ou monopulso de amplitude . Os sistemas modernos determinam a direção da razão monopulso, que contém informações de amplitude e fase. O método monopulse não requer que os sinais medidos sejam pulsados. O nome alternativo "lobing simultâneo" foi, portanto, sugerido, mas não popularizado.
Fundo
Varredura cônica
A varredura cônica não é considerada uma forma de radar monopulso, mas o resumo a seguir fornece informações que podem ajudar no entendimento.
Os sistemas de varredura cônica enviam um sinal levemente para um lado do boresight da antena e, em seguida, girando o chifre de alimentação para fazer o lóbulo girar em torno da linha de boresight. Um alvo centrado no boresight é sempre ligeiramente iluminado pelo lóbulo e fornece um retorno forte. Se o alvo estiver para um lado, ele será iluminado apenas quando o lóbulo estiver apontado naquela direção geral, resultando em um sinal geral mais fraco (ou piscando se a rotação for lenta o suficiente). Este sinal variável atingirá um máximo quando a antena for girada de forma que fique alinhada na direção do alvo.
Ao procurar esse máximo e mover a antena nessa direção, um alvo pode ser rastreado automaticamente. Isso é bastante facilitado pelo uso de duas antenas, ligeiramente inclinadas para cada lado da mira. O rastreamento pode ser realizado comparando o sinal das duas antenas em eletrônicos simples, em vez de procurar um ponto máximo durante o período de rotação da antena.
Um problema com essa abordagem é que os sinais de radar geralmente mudam de amplitude por motivos que nada têm a ver com a posição do feixe. No período de alguns décimos de segundos, por exemplo, mudanças na direção do alvo, nuvens de chuva e outros problemas podem afetar dramaticamente o sinal de retorno. Uma vez que os sistemas de varredura cônica dependem do sinal crescendo ou enfraquecendo devido apenas à posição do alvo em relação ao feixe, tais mudanças no sinal refletido podem fazer com que ele fique "confuso" sobre a posição do alvo dentro da área de varredura do feixe.
Bloquear um scanner cônico também é relativamente fácil. O jammer simplesmente tem que enviar sinais na frequência do radar com força suficiente para fazê-lo pensar que foi o retorno mais forte. Nesse caso, uma série de rajadas curtas aleatórias do sinal parecerá ser uma série de alvos em diferentes locais dentro do feixe. O congestionamento desse tipo pode ser mais eficaz cronometrando os sinais para serem iguais à velocidade de rotação da alimentação, mas transmitidos com um pequeno atraso, o que resulta em um segundo pico forte dentro do feixe, sem nada para distinguir os dois. Jammers desse tipo foram implantados bem cedo. Os britânicos os usaram durante a Segunda Guerra Mundial contra o radar alemão de varredura cônica de Würzburg .
Descrição
Monopulse básico
Os radares monopulso são semelhantes em construção geral aos sistemas de varredura cônicos, mas dividem o feixe em partes e enviam os dois sinais resultantes para fora da antena em direções ligeiramente diferentes. Quando os sinais refletidos são recebidos, eles são amplificados separadamente e comparados entre si, indicando em qual direção tem um retorno mais forte e, portanto, a direção geral do alvo em relação ao boresight. Como essa comparação é realizada durante um pulso, que normalmente dura alguns microssegundos, as mudanças na posição do alvo ou no rumo não terão efeito na comparação.
Fazer tal comparação requer que as diferentes partes do feixe sejam distinguidas umas das outras. Normalmente, isso é conseguido dividindo o pulso em duas partes e polarizando cada uma separadamente antes de enviá-lo a um conjunto de cornetas de alimentação ligeiramente fora do eixo. Isso resulta em um conjunto de lóbulos, geralmente dois, sobrepostos na mira. Esses lóbulos são girados como em um scanner cônico normal. Na recepção, os sinais são separados novamente e, em seguida, um sinal é invertido em potência e os dois são somados ( na imagem). Se o alvo estiver de um lado da mira, a soma resultante será positiva, se estiver do outro lado, negativa.
Se os lóbulos estiverem bem espaçados, esse sinal pode produzir um alto grau de precisão de apontamento dentro do feixe, aumentando a precisão natural do sistema de varredura cônica. Enquanto os sistemas de varredura cônicos clássicos geram precisão de apontamento da ordem de 0,1 grau, os radares monopulso geralmente melhoram isso por um fator de 10, e os radares de rastreamento avançados como o AN / FPS-16 têm precisão de 0,006 graus. Esta é uma precisão de cerca de 10 m a uma distância de 100 km.
A resistência ao bloqueio é muito melhorada em relação à digitalização cônica. Os filtros podem ser inseridos para remover qualquer sinal não polarizado ou polarizado apenas em uma direção. Para confundir tal sistema, o sinal de interferência teria que duplicar a polarização do sinal, bem como o tempo, mas como a aeronave recebe apenas um lóbulo, determinar a polarização precisa do sinal é difícil. Contra os sistemas monopulso, o ECM geralmente recorre à transmissão de ruído branco para simplesmente cegar o radar, em vez de tentar produzir falsos retornos localizados.
Implementação para antenas refletoras
As antenas monopulso produzem um sinal de soma e dois sinais delta. Isso permite que a medição angular seja realizada usando um único pulso de recepção. O sinal de soma geralmente passa de volta para o guia de ondas usado para enviar o pulso de transmissão. Os dois sinais delta são elevação (cima-baixo) e transversal (esquerda-direita).
O sinal de soma corresponde ao feixe da antena ao longo da linha central da antena. Os sinais delta são pares de feixes adjacentes à linha central do feixe da antena soma. As medições do feixe delta produzem valores positivos ou negativos dependendo do quadrante.
| Quadrantes | Deixou | Direito |
|---|---|---|
| Acima | Quadrante II: + ΔEl −ΔAz | Quadrante I: + ΔEl + ΔAz |
| Baixa | Quadrante III: −ΔEl −ΔAz | Quadrante IV: −ΔEl + ΔAz |
O sinal de soma é criado por uma estrutura feedhorn posicionada para maximizar o sinal no centro do feixe da antena. Os sinais delta RF são criados por pares de cornetas de alimentação de antena localizadas adjacentes à corneta de alimentação de soma (corneta de alimentação de soma não mostrada na figura). A saída de cada par de cornetas de alimentação delta são somadas e isso cria um sinal de saída zero quando o sinal de RF de entrada está localizado no centro do feixe da antena. A intensidade do sinal de cada feixe delta aumenta à medida que a aeronave se afasta da linha central da antena.
Para a imagem do guia de ondas que é mostrada, um sinal de RF polarizado horizontalmente chega às duas pontas de alimentação para produzir um sinal delta esquerdo / direito. A energia que chega da frente de onda de RF é lançada em ambos os alimentadores de guia de ondas. O sinal de RF de ambos os alimentadores viaja pelo guia de ondas, onde os sinais do alimentador esquerdo e direito são combinados. O combinador realiza uma subtração matemática nos sinais elétricos que chegam dos alimentadores. Essa subtração produz o sinal delta. Uma configuração de feedhorn semelhante é usada para produzir o sinal delta para cima / para baixo (não mostrado). O conjunto de guia de ondas pode ser usado sozinho. Para uma antena de alto ganho, o conjunto feedhorn está localizado de frente para a superfície refletora ou próximo ao ponto focal.
Para a imagem do guia de ondas que é mostrada, o sinal de soma seria criado por um único feedhorn de guia de ondas centrado entre os dois feedhorns que são mostrados.
Os sinais de frequência de rádio soma e delta são convertidos para uma frequência mais baixa no receptor onde ocorre a amostragem. Um processador de sinal produz o sinal de erro usando essas amostras.
O valor + ou - para cada sinal delta é criado pelo deslocamento de fase de 0 graus ou 180 graus quando comparado com o sinal de soma. Um sinal de calibração é injetado no caminho de recepção quando o radar está ocioso, e isso estabelece uma mudança de fase conhecida entre os diferentes caminhos do sinal de micro-ondas (modo quiescente).
O erro de ângulo é criado a partir do sinal delta ao realizar uma relação complexa. Isso é feito para as vigas delta esquerda / direita e também para as vigas delta para cima / para baixo (duas relações). Uma explicação de como as partes reais e imaginárias são usadas com RADAR pode ser encontrada na descrição do Doppler de pulso .
O resultado é um número assinado . O resultado do processo de calibração é girar o vetor complexo de erro do ângulo da antena no eixo real para reduzir as perdas de processamento do sinal.
O erro de ângulo é usado para fazer um ajuste para posicionar o alvo ao longo da linha de centro da antena. No radar dirigido mecanicamente, o erro de ângulo vertical aciona um motor que move a antena para cima ou para baixo, e o erro de ângulo horizontal aciona um motor que dirige a antena para a esquerda ou direita. Em um míssil, o erro de ângulo é uma entrada para o sistema de orientação que posiciona as aletas de orientação que giram o corpo do míssil de forma que o alvo fique na linha central da antena.
Uma roda, espelho e uma luz podem ser usados para visualizar o real e o imaginário descritos nesta equação. O espelho é colocado em um ângulo de 45 graus acima da roda para que você possa ver a frente e o topo da roda ao mesmo tempo. A luz é fixada na roda para que você possa vê-la quando as luzes da sala forem apagadas. Você se senta bem na frente do volante enquanto um amigo gira o volante. A vista da frente da roda (real) e do topo da roda (imaginária) informam a posição da roda.
Pares de valores reais e imaginários formam um número complexo explicado como partes reais e imaginárias .
A calibração dinâmica é necessária quando há longos percursos de guia de onda entre a antena e o primeiro conversor descendente (consulte o receptor Superheterodyne ). Isso compensa as mudanças de temperatura que alteram o tamanho e o comprimento do guia de onda, o que causará variações de fase que produzem sinais de erro de ângulo incorreto para longas execuções do guia de onda. O termo Cal é criado injetando um sinal de calibração no guia de ondas de recepção enquanto o sistema não está ativo (soma e delta). O erro de ângulo do sinal de calibração é usado para avaliar o erro de ângulo durante a operação normal. A sintonia da antena é usada para fazer ajustes que criam o sinal de erro desejado quando a antena é calibrada no alcance da antena.
Quando o percurso do guia de ondas é curto entre a antena e o receptor, o sinal de calibração pode ser omitido e o termo de calibração pode ser definido para um valor fixo. Um valor fixo também pode ser armazenado para sistemas com longos percursos de guia de onda para permitir operação degradada quando a calibração de RF não pode ser realizada. O conjunto de guia de ondas pode precisar ser ajustado usando um alcance de antena para obter resultados consistentes.
Implementação para antenas array
A antena de matriz de quatro quadrantes consiste em quatro submatrizes. As submatrizes são separadas por uma distância d . O ângulo θ (em elevação ou azimute) é estimado a partir da razão monopulso, que é a razão do sinal de diferença sobre o sinal de soma. A equação de estimativa é dada por:
A derivação de uma forma mais geral desta equação é apresentada em.
Posicionamento da antena
Os sistemas de rastreamento produzem informações constantes sobre a posição da aeronave, e a posição da antena faz parte dessas informações. Os sinais de erro da antena são usados para criar feedback como parte de um sistema RADAR que pode rastrear aeronaves.
O sinal horizontal e o sinal vertical criados a partir das amostras de RF da antena são chamados de erros de ângulo. Esses sinais de erro de ângulo indicam a distância angular entre o centro do feixe da antena e a posição da aeronave dentro do feixe da antena.
Para uma antena direcionada mecanicamente, o sinal horizontal e o sinal vertical são usados para criar um sinal de acionamento que cria torque para dois motores de posicionamento da antena. Um motor move a antena para a esquerda / direita. O outro motor impulsiona a antena para cima / para baixo. O resultado é mover a posição da antena de modo que o centro do feixe da antena permaneça apontado diretamente para a aeronave, mesmo quando a aeronave está se movendo perpendicularmente ao feixe da antena.
Para uma trilha durante a varredura do radar, a posição e a velocidade são mantidas para várias aeronaves. A última posição da aeronave é parada por inércia usando a velocidade, e essa informação é usada para direcionar um feixe de energia em direção à aeronave. As informações de erro de ângulo monopulso que são recebidas são usadas para ajustar os dados de posição e velocidade da aeronave. Este é um modo comum com sistemas de radar phased array .
O Monopulse de comparação de amplitude fornece uma explicação dos sinais da antena envolvidos neste processo.
Doppler
O efeito Doppler pode ser usado para separar objetos diferentes com base na velocidade. O processamento do sinal RADAR de Doppler de pulso usa essa técnica. Isso é combinado com varredura cônica ou monopulso para melhorar a confiabilidade da pista. É necessário separar o sinal do objeto da interferência para evitar ser puxado para fora do objeto. Isso evita problemas onde o sistema é enganado por aeronaves voando muito perto da superfície da terra ou aeronaves voando através das nuvens.
Varredura cônica e antenas monopulso são suscetíveis à interferência de fenômenos climáticos e objetos estacionários. A interferência resultante pode produzir sinais de feedback que movem o feixe da antena para longe da aeronave. Isso pode produzir uma posição não confiável da antena quando a antena é apontada muito perto do solo ou muito perto de clima pesado. Os sistemas sem o modo de rastreamento Doppler de pulso podem permanecer direcionados a objetos irrelevantes, como árvores ou nuvens. A atenção constante do operador é necessária quando não há processamento de sinal Doppler.
História
O radar monopulso era extremamente "high tech" quando foi introduzido pela primeira vez por Robert M. Page em 1943 em um experimento do Naval Research Laboratory . Como resultado, era muito caro, trabalhoso devido à complexidade e menos confiável. Só era usado quando era necessária uma precisão extrema que justificasse o custo. Os primeiros usos incluíam o míssil Nike Ajax , que exigia uma precisão muito alta, ou para rastrear radares usados para medir vários lançamentos de foguetes . O primeiro sistema de radar monopulso aerotransportado do mundo foi o sistema AIRPASS projetado por Ferranti , que entrou em serviço em 1960 na aeronave interceptora English Electric Lightning da RAF. Um dos primeiros desenvolvimentos de radar monopulso, em 1958, foi o AN / FPS-16 , no qual o NRL e o RCA colaboraram. A versão mais antiga, XN-1, utilizava uma lente de placa de metal. A segunda versão do XN-2 usava uma antena parabólica convencional de 3,65 metros [12 pés] e foi a versão que entrou em produção. Esses radares desempenharam um papel importante nas missões Mercury, Gemini e nas primeiras missões Apollo, sendo implantados nas Bermudas, em Tannarive e na Austrália, entre outros lugares para esse fim. A modificação IRACQ [Aumented Range ACQuisition] foi instalada em algumas dessas instalações; certamente aquele localizado em Woomera, Austrália, foi modificado. Uma das maiores instalações apareceu pela primeira vez na década de 1970 como a Marinha dos EUA 's AN / SPY-1 radar utilizado no Sistema de Combate Aegis , e MK-74 radar usado em Tartar guiada Sistema de Controle de Fogo de mísseis e pesquisa. O custo e a complexidade da implementação do rastreamento monopulso foram reduzidos e a confiabilidade aumentou quando o processamento de sinal digital tornou-se disponível após a década de 1970. A tecnologia é encontrada na maioria dos radares de rastreamento modernos e em muitos tipos de munições descartáveis, como mísseis.