Características do sinal de radar - Radar signal characteristics

Um sistema de radar usa um sinal eletromagnético de radiofrequência refletido de um alvo para determinar informações sobre esse alvo. Em qualquer sistema de radar , o sinal transmitido e recebido exibirá muitas das características descritas abaixo.

O sinal de radar no domínio do tempo

O diagrama abaixo mostra as características do sinal transmitido no domínio do tempo. Observe que neste e em todos os diagramas deste artigo, o eixo x é exagerado para tornar a explicação mais clara.

Operadora

A portadora é um sinal de RF , normalmente de frequências de micro-ondas, que normalmente (mas nem sempre) é modulado para permitir que o sistema capture os dados necessários. Em radares de alcance simples, a portadora será modulada por pulso e em sistemas de onda contínua , como radar Doppler , a modulação pode não ser necessária. A maioria dos sistemas usa modulação de pulso , com ou sem outros sinais de modulação suplementares. Observe que, com a modulação de pulso, a portadora é simplesmente ligada e desligada em sincronia com os pulsos; a forma de onda modulante não existe realmente no sinal transmitido e o envelope da forma de onda do pulso é extraído da portadora demodulada no receptor. Embora seja óbvio quando descrito, esse ponto costuma ser esquecido quando as transmissões de pulso são estudadas pela primeira vez, levando a mal-entendidos sobre a natureza do sinal.

Largura do pulso

A largura do pulso ( ) (ou duração do pulso) do sinal transmitido é o tempo, normalmente em microssegundos, em que cada pulso dura. Se o pulso não for uma onda quadrada perfeita , o tempo é normalmente medido entre os níveis de potência de 50% das bordas ascendente e descendente do pulso. ${\ displaystyle \ tau}$

A largura do pulso deve ser longa o suficiente para garantir que o radar emita energia suficiente para que o pulso refletido seja detectado por seu receptor. A quantidade de energia que pode ser entregue a um alvo distante é o produto de duas coisas; o pico de potência de saída do transmissor e a duração da transmissão. Portanto, a largura de pulso restringe o intervalo máximo de detecção de um alvo.

A largura de pulso também restringe a discriminação de alcance, que é a capacidade do radar de distinguir entre dois alvos próximos. Em qualquer alcance, com azimute e ângulos de elevação semelhantes e visto por um radar com um pulso não modulado, a resolução do alcance é aproximadamente igual em distância à metade da duração do pulso vezes a velocidade da luz (aproximadamente 300 metros por microssegundo).

A largura do pulso também determina a zona morta do radar em intervalos próximos. Enquanto o transmissor do radar está ativo, a entrada do receptor é apagada para evitar que os amplificadores sejam sobrecarregados (saturados) ou (mais provavelmente) danificados. Um cálculo simples revela que um eco de radar levará aproximadamente 10,8 μs para retornar de um alvo a 1 milha estatutária de distância (contando a partir da borda de ataque do pulso do transmissor ( T ₀ ), (às vezes conhecido como explosão principal do transmissor)). Por conveniência, esses valores também podem ser expressos como 1 milha náutica em 12,4 μs ou 1 quilômetro em 6,7 μs. (Para simplificar, toda a discussão posterior usará números métricos.) Se a largura do pulso do radar for 1 μs, então não pode haver detecção de alvos mais próximos do que cerca de 150 m, porque o receptor está em branco.

Tudo isso significa que o projetista não pode simplesmente aumentar a largura do pulso para obter uma faixa maior sem ter um impacto sobre outros fatores de desempenho. Como tudo o mais em um sistema de radar, é necessário fazer concessões ao projeto do sistema de radar para fornecer o desempenho ideal para sua função.

Frequência de repetição de pulso (PRF)

A fim de criar um eco discernível, a maioria dos sistemas de radar emite pulsos continuamente e a taxa de repetição desses pulsos é determinada pelo papel do sistema. Um eco de um alvo será, portanto, 'pintado' no display ou integrado no processador de sinal toda vez que um novo pulso for transmitido, reforçando o retorno e facilitando a detecção. Quanto mais alto o PRF usado, mais o alvo é pintado. No entanto, com o PRF mais alto, o alcance que o radar pode "ver" é reduzido. Os projetistas de radar tentam usar o PRF mais alto possível, compatível com os outros fatores que o restringem, conforme descrito abaixo.

Existem duas outras facetas relacionadas ao PRF que o designer deve avaliar com muito cuidado; as características da largura do feixe da antena e a periodicidade necessária com a qual o radar deve varrer o campo de visão. Um radar com largura de feixe horizontal de 1 ° que varre todo o horizonte de 360 ​​° a cada 2 segundos com um PRF de 1080 Hz irradiará 6 pulsos em cada arco de 1 grau. Se o receptor precisa de pelo menos 12 pulsos refletidos de amplitudes semelhantes para atingir uma probabilidade aceitável de detecção, então há três opções para o projetista: dobrar o PRF, reduzir pela metade a velocidade de varredura ou dobrar a largura do feixe. Na realidade, todas as três opções são usadas, em graus variados; o projeto do radar envolve compromissos entre pressões conflitantes.

PRF escalonado

PRF escalonado é um processo de transmissão em que o tempo entre as interrogações do radar muda ligeiramente, de maneira repetitiva padronizada e facilmente discernível. A mudança da frequência de repetição permite ao radar, em uma base pulso a pulso, diferenciar entre retornos de suas próprias transmissões e retornos de outros sistemas de radar com o mesmo PRF e uma frequência de rádio semelhante. Considere um radar com um intervalo constante entre os pulsos; as reflexões do alvo aparecem em uma faixa relativamente constante relacionada ao tempo de voo do pulso. No espectro de rádio muito congestionado de hoje, pode haver muitos outros pulsos detectados pelo receptor, seja diretamente do transmissor ou como reflexos de outro lugar. Como sua "distância" aparente é definida medindo seu tempo em relação ao último pulso transmitido pelo "nosso" radar, esses pulsos de "interferência" podem aparecer em qualquer distância aparente. Quando o PRF do radar de "interferência" é muito semelhante ao "nosso" radar, essas distâncias aparentes podem mudar muito lentamente, como os alvos reais. Ao usar o escalonamento, um projetista de radar pode forçar o "bloqueio" a pular erraticamente na faixa aparente, inibindo a integração e reduzindo ou mesmo suprimindo seu impacto na detecção do alvo real.

Sem PRF escalonado, quaisquer pulsos originados de outro radar na mesma freqüência de rádio podem parecer estáveis ​​no tempo e podem ser confundidos com reflexos da própria transmissão do radar. Com PRF escalonado, os próprios alvos do radar parecem estáveis ​​em alcance em relação ao pulso de transmissão, enquanto os ecos de 'interferência' podem se mover em alcance aparente (não correlacionado), fazendo com que sejam rejeitados pelo receptor. PRF escalonado é apenas uma das várias técnicas semelhantes usadas para isso, incluindo PRF jittered (onde o tempo de pulso é variado de uma maneira menos previsível), modulação de frequência de pulso e várias outras técnicas semelhantes, cujo objetivo principal é reduzir a probabilidade de sincronicidade não intencional. Essas técnicas são amplamente utilizadas em segurança marítima e radares de navegação, de longe os mais numerosos radares do planeta Terra hoje.

Desordem

Clutter se refere a ecos de radiofrequência (RF) retornados de alvos que não são interessantes para os operadores de radar. Esses alvos incluem objetos naturais como solo, mar, precipitação (como chuva, neve ou granizo), tempestades de areia , animais (especialmente pássaros), turbulência atmosférica e outros efeitos atmosféricos, como reflexos da ionosfera , trilhas de meteoros e três corpos pico de dispersão . A desordem também pode ser retornada de objetos feitos pelo homem, como edifícios e, intencionalmente, por contramedidas de radar, como palha .

Alguma confusão também pode ser causada por um longo guia de ondas do radar entre o transceptor do radar e a antena. Em um radar indicador de posição de plano (PPI) típico com uma antena rotativa, isso geralmente será visto como um "sol" ou "explosão solar" no centro da tela conforme o receptor responde a ecos de partículas de poeira e RF mal orientado no guia de ondas . Ajustar o tempo entre o momento em que o transmissor envia um pulso e o estágio do receptor é habilitado geralmente reduzirá a explosão solar sem afetar a precisão do alcance, uma vez que a maior parte da explosão solar é causada por um pulso de transmissão difuso refletido antes de deixar a antena. A desordem é considerada uma fonte de interferência passiva, uma vez que só aparece em resposta aos sinais de radar enviados pelo radar.

A desordem é detectada e neutralizada de várias maneiras. A desordem tende a parecer estática entre as varreduras de radar; nos ecos de varredura subsequentes, os alvos desejáveis ​​parecerão se mover e todos os ecos estacionários podem ser eliminados. A desordem do mar pode ser reduzida usando a polarização horizontal, enquanto a chuva é reduzida com a polarização circular (observe que os radares meteorológicos desejam o efeito oposto e, portanto, usam a polarização linear para detectar a precipitação). Outros métodos tentam aumentar a relação sinal / interferência.

A desordem se move com o vento ou está parada. Duas estratégias comuns para melhorar a medição ou o desempenho em um ambiente desordenado são:

• Indicação de alvo móvel , que integra pulsos sucessivos e
• Processamento Doppler, que usa filtros para separar a desordem dos sinais desejáveis.

A técnica de redução de desordem mais eficaz é o radar Doppler de pulso com capacidade de olhar para baixo / derrubar . O Doppler separa a desordem de aeronaves e espaçonaves usando um espectro de frequência , de forma que sinais individuais podem ser separados de vários refletores localizados no mesmo volume usando diferenças de velocidade. Isso requer um transmissor coerente. Outra técnica usa uma indicação de alvo móvel que subtrai o sinal recebido de dois pulsos sucessivos usando fase para reduzir os sinais de objetos em movimento lento. Isso pode ser adaptado para sistemas que não possuem um transmissor coerente, como o radar de amplitude de pulso no domínio do tempo .

Constant False Alarm Rate , uma forma de Controle Automático de Ganho (AGC), é um método que depende de retornos de desordem superando em número os ecos de alvos de interesse. O ganho do receptor é ajustado automaticamente para manter um nível constante de desordem geral visível. Embora isso não ajude a detectar alvos mascarados por uma aglomeração mais forte ao redor, ajuda a distinguir fontes de alvos fortes. No passado, o radar AGC era controlado eletronicamente e afetava o ganho de todo o receptor do radar. Conforme os radares evoluíram, o AGC se tornou controlado por software de computador e afetou o ganho com maior granularidade em células de detecção específicas.

Os ecos do multipercurso de radar de um alvo causam o aparecimento de fantasmas.

A desordem também pode se originar de ecos de caminhos múltiplos de alvos válidos causados ​​por reflexão do solo, dutos atmosféricos ou reflexão / refração ionosférica (por exemplo, propagação anômala ). Esse tipo de desordem é especialmente incômodo, pois parece se mover e se comportar como outros alvos normais (pontuais) de interesse. Em um cenário típico, um eco de aeronave é refletido do solo abaixo, aparecendo para o receptor como um alvo idêntico abaixo do correto. O radar pode tentar unificar os alvos, relatando o alvo em uma altura incorreta ou eliminando-o com base em jitter ou impossibilidade física. O bloqueio de ressalto do terreno explora essa resposta amplificando o sinal do radar e direcionando-o para baixo. Esses problemas podem ser superados pela incorporação de um mapa do solo ao redor do radar e pela eliminação de todos os ecos que parecem se originar abaixo do solo ou acima de uma certa altura. Monopulse pode ser melhorado alterando o algoritmo de elevação usado em baixa elevação. Em equipamentos de radar de controle de tráfego aéreo mais recentes, algoritmos são usados ​​para identificar os alvos falsos, comparando os retornos de pulso atuais com aqueles adjacentes, bem como calculando as improbabilidades de retorno.

Controle de tempo de sensibilidade (STC)

O STC é usado para evitar a saturação do receptor devido à desordem do solo, ajustando a atenuação do receptor em função da distância. Mais atenuação é aplicada para retornos próximos e é reduzida conforme o intervalo aumenta.

Faixa inequívoca

PRF único

Em sistemas simples, os ecos dos alvos devem ser detectados e processados ​​antes que o próximo pulso do transmissor seja gerado, se a ambigüidade de alcance for evitada. A ambigüidade de alcance ocorre quando o tempo que leva para um eco retornar de um alvo é maior que o período de repetição do pulso (T); se o intervalo entre os pulsos transmitidos for de 1000 microssegundos e o tempo de retorno de um pulso de um alvo distante for de 1200 microssegundos, a distância aparente do alvo será de apenas 200 microssegundos. Em suma, esses 'segundos ecos' aparecem na tela como alvos mais próximos do que realmente estão.

Considere o seguinte exemplo: se a antena do radar estiver localizada a cerca de 15 m acima do nível do mar, então a distância até o horizonte é bem próxima (talvez 15 km). Alvos terrestres além desse alcance não podem ser detectados, então a PRF pode ser bastante alta; um radar com PRF de 7,5 kHz retornará ecos ambíguos de alvos a cerca de 20 km, ou ao longo do horizonte. Se, no entanto, o PRF foi dobrado para 15 kHz, então o alcance ambíguo é reduzido para 10 km e alvos além deste alcance só apareceriam no visor depois que o transmissor emitisse outro pulso. Um alvo a 12 km pareceria estar a 2 km de distância, embora a força do eco possa ser muito menor do que a de um alvo genuíno a 2 km.

O intervalo máximo não ambíguo varia inversamente com PRF e é dado por:

${\ displaystyle {\ text {Range}} _ {\ text {max unambiguous}} = \ left ({\ frac {c} {2 \, PRF}} \ right)}$

onde c é a velocidade da luz . Se um alcance não ambíguo mais longo for necessário com este sistema simples, então PRFs mais baixos são necessários e era bastante comum que os primeiros radares de busca tivessem PRFs tão baixos quanto algumas centenas de Hz, dando um alcance inequívoco bem acima de 150 km. No entanto, PRFs mais baixos introduzem outros problemas, incluindo pintura de alvo mais pobre e ambigüidade de velocidade em sistemas Doppler de pulso (veja abaixo ).

PRF múltipla

Radares modernos, especialmente radares de combate ar-ar em aeronaves militares, podem usar PRFs na ordem de dezenas a centenas de quilohertz e escalonar o intervalo entre os pulsos para permitir que o alcance correto seja determinado. Com essa forma de PRF escalonada, um pacote de pulsos é transmitido com um intervalo fixo entre cada pulso e, em seguida, outro pacote é transmitido com um intervalo ligeiramente diferente. As reflexões do alvo aparecem em intervalos diferentes para cada pacote ; essas diferenças são acumuladas e, em seguida, técnicas aritméticas simples podem ser aplicadas para determinar o intervalo real. Esses radares podem usar padrões repetitivos de pacotes ou pacotes mais adaptáveis que respondem a comportamentos de destino aparentes. Independentemente disso, os radares que empregam a técnica são universalmente coerentes , com uma frequência de rádio muito estável, e os pacotes de pulso também podem ser usados ​​para fazer medições do deslocamento Doppler (uma modificação dependente da velocidade da frequência de rádio aparente), especialmente quando os PRFs estão na faixa de centenas de quilohertz. Os radares que exploram os efeitos Doppler dessa maneira normalmente determinam a velocidade relativa primeiro, a partir do efeito Doppler, e então usam outras técnicas para derivar a distância do alvo.

Alcance Máximo Não Ambíguo

Em sua forma mais simplista, MUR (Maximum Unambiguous Range) para uma sequência de escalonamento de pulso pode ser calculado usando o TSP (Período de sequência total). TSP é definido como o tempo total que leva para o padrão pulsado se repetir. Isso pode ser encontrado pela adição de todos os elementos na sequência escalonada. A fórmula é derivada da velocidade da luz e do comprimento da sequência:

${\ displaystyle MUR = \ left (c * 0,5 * TSP \ right)}$

onde c é a velocidade da luz , geralmente em metros por microssegundo, e TSP é a adição de todas as posições da sequência escalonada, geralmente em microssegundos. No entanto, em uma sequência escalonada, alguns intervalos podem ser repetidos várias vezes; quando isso ocorre, é mais apropriado considerar o TSP como a adição de todos os intervalos exclusivos na sequência.

Além disso, é importante lembrar que pode haver grandes diferenças entre o MUR e a faixa máxima (a faixa além da qual as reflexões provavelmente serão muito fracas para serem detectadas), e que a faixa máxima instrumentada pode ser muito mais curta do que qualquer um desses. Um radar marítimo civil, por exemplo, pode ter faixas de exibição instrumentadas máximas selecionáveis ​​pelo usuário de 72 ou 96 ou raramente 120 milhas náuticas, de acordo com a lei internacional, mas faixas máximas inequívocas de mais de 40.000 milhas náuticas e faixas de detecção máximas de talvez 150 milhas náuticas. Quando tais disparidades enormes são observadas, isso revela que o objetivo principal do PRF escalonado é reduzir o "bloqueio", em vez de aumentar as capacidades de alcance inequívocas.

O sinal de radar no domínio da frequência

Os radares puros CW aparecem como uma única linha em uma tela do analisador de espectro e quando modulados com outros sinais senoidais, o espectro difere pouco daquele obtido com esquemas de modulação analógica padrão usados ​​em sistemas de comunicação, como a modulação de frequência e consistem na portadora mais um pequeno número de bandas laterais . Quando o sinal do radar é modulado com um trem de pulso como mostrado acima, o espectro se torna muito mais complicado e muito mais difícil de visualizar.

Espectro de frequência de transmissão de radar básico

Espectro de radar Doppler 3D mostrando um código de Barker de 13

A análise básica de Fourier mostra que qualquer sinal complexo repetitivo consiste em várias ondas senoidais harmonicamente relacionadas. O trem de pulso de radar é uma forma de onda quadrada , a forma pura que consiste na fundamental mais todas as harmônicas ímpares. A composição exata do trem de pulso dependerá da largura do pulso e PRF, mas a análise matemática pode ser usada para calcular todas as frequências no espectro. Quando o trem de pulso é usado para modular uma portadora de radar, o espectro típico mostrado à esquerda será obtido.

O exame dessa resposta espectral mostra que ela contém duas estruturas básicas. A estrutura grosseira ; (os picos ou 'lóbulos' no diagrama à esquerda) e a Estrutura Fina que contém os componentes de frequência individuais conforme mostrado abaixo. O envelope dos lóbulos na estrutura grosseira é dado por: . ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ pi \, f}}}$

Observe que a largura de pulso ( ) determina o espaçamento do lóbulo. Larguras de pulso menores resultam em lóbulos mais largos e, portanto, maior largura de banda. ${\ displaystyle \, \ tau}$

Espectro fino de frequência de transmissão de radar

O exame da resposta espectral em detalhes mais precisos, conforme mostrado à direita, mostra que a Estrutura Fina contém linhas individuais ou frequências pontuais. A fórmula para a estrutura fina é dada por e, uma vez que o período do PRF (T) aparece na parte inferior da equação do espectro fino, haverá menos linhas se PRFs mais altos forem usados. Esses fatos afetam as decisões tomadas pelos projetistas de radar ao considerar as compensações que precisam ser feitas ao tentar superar as ambigüidades que afetam os sinais de radar. ${\ displaystyle {\ frac {N} {T}}}$

Perfil de pulso

Se os tempos de subida e descida dos pulsos de modulação são zero (por exemplo, as bordas do pulso são infinitamente nítidas), então as bandas laterais serão mostradas nos diagramas espectrais acima. A largura de banda consumida por esta transmissão pode ser enorme e a potência total transmitida é distribuída por muitas centenas de linhas espectrais. Esta é uma fonte potencial de interferência com qualquer outro dispositivo e imperfeições dependentes da frequência na cadeia de transmissão significam que parte dessa energia nunca chega à antena. Na realidade, é claro, é impossível obter tais arestas vivas; portanto, em sistemas práticos, as bandas laterais contêm muito menos linhas do que um sistema perfeito. Se a largura de banda pode ser limitada para incluir relativamente poucas bandas laterais, rolando as bordas de pulso intencionalmente, um sistema eficiente pode ser realizado com o mínimo de potencial de interferência com equipamentos próximos. No entanto, a desvantagem disso é que as bordas lentas tornam a resolução de alcance ruim. Os primeiros radares limitavam a largura de banda por meio da filtragem na cadeia de transmissão, por exemplo, o guia de ondas, o scanner etc., mas o desempenho poderia ser esporádico, com sinais indesejados rompendo em frequências remotas e as bordas do pulso recuperado sendo indeterminadas. Um exame mais aprofundado do espectro de radar básico mostrado acima mostra que as informações nos vários lóbulos do espectro grosso são idênticas às contidas no lóbulo principal, portanto, limitar a largura de banda de transmissão e recepção fornece benefícios significativos em termos de eficiência e ruído redução.

Espectro de frequência de transmissão de radar de um perfil de pulso trapezoidal

Avanços recentes nas técnicas de processamento de sinais tornaram mais comum o uso de perfis ou modelagem de pulso. Ao moldar o envelope de pulso antes de ser aplicado ao dispositivo de transmissão, digamos a uma lei do cosseno ou um trapézio, a largura de banda pode ser limitada na origem, com menos dependência de filtragem. Quando esta técnica é combinada com compressão de pulso , pode-se obter um bom compromisso entre eficiência, desempenho e resolução de alcance. O diagrama à esquerda mostra o efeito no espectro se um perfil de pulso trapezoidal for adotado. Pode ser visto que a energia nas bandas laterais é significativamente reduzida em comparação com o lobo principal e a amplitude do lobo principal é aumentada.

Espectro de frequência de transmissão de radar de um perfil de pulso de cosseno

Da mesma forma, o uso de um perfil de pulso cosseno tem um efeito ainda mais marcante, com a amplitude dos lóbulos laterais se tornando praticamente desprezível. O lóbulo principal é novamente aumentado em amplitude e os lóbulos laterais reduzidos de forma correspondente, proporcionando uma melhoria significativa no desempenho.

Existem muitos outros perfis que podem ser adotados para otimizar o desempenho do sistema, mas os perfis cosseno e trapézio geralmente fornecem um bom compromisso entre eficiência e resolução e, portanto, tendem a ser usados ​​com mais frequência.

Velocidade inequívoca

Espectro Doppler. Deliberadamente nenhuma unidade fornecida (mas pode ser dBu e MHz, por exemplo).

Este é um problema apenas com um tipo específico de sistema; o radar Doppler de pulso , que usa o efeito Doppler para determinar a velocidade a partir da mudança aparente na frequência causada por alvos que têm velocidades radiais líquidas em comparação com o dispositivo de radar. O exame do espectro gerado por um transmissor pulsado, mostrado acima, revela que cada uma das bandas laterais, (tanto grossa quanto fina), estará sujeita ao efeito Doppler, outra boa razão para limitar a largura de banda e a complexidade espectral pelo perfil de pulso.

Considere a mudança positiva causada pela meta de fechamento no diagrama, que foi altamente simplificado para maior clareza. Pode-se ver que à medida que a velocidade relativa aumenta, um ponto será alcançado onde as linhas espectrais que constituem os ecos são ocultadas ou alteradas pela próxima banda lateral da portadora modulada. A transmissão de vários pacotes de pulso com diferentes valores de PRF, por exemplo, PRFs escalonados, resolverá essa ambigüidade, uma vez que cada novo valor de PRF resultará em uma nova posição de banda lateral, revelando a velocidade para o receptor. A velocidade alvo máxima inequívoca é dada por:

${\ displaystyle \ pm {\ frac {c \, PRF} {4 \, f}}}$

Parâmetros típicos do sistema

Levar todas as características acima em consideração significa que certas restrições são colocadas no projetista do radar. Por exemplo, um sistema com uma frequência portadora de 3 GHz e uma largura de pulso de 1 µs terá um período de portadora de aproximadamente 333 ps. Cada pulso transmitido conterá cerca de 3.000 ciclos de portadora e os valores de velocidade e ambiguidade de alcance para tal sistema seriam:

Veja também

• Aliasing - a razão para estimativas de velocidade ambíguas
• Radar de onda contínua (processamento doppler puro não pulsado)
• Radar meteorológico (pulsado com processamento doppler)

Referências

• Modern Radar Systems de Hamish Meikle ( ISBN   0-86341-172-X )
• Técnicas e sistemas avançados de radar editados por Gaspare Galati ( ISBN   1-58053-294-2 )