Un radar Doppler de pulso es un sistema de radar que determina el alcance de un objetivo utilizando técnicas de sincronización de pulsos y utiliza el efecto Doppler de la señal devuelta para determinar la velocidad del objeto objetivo. Combina las características de los radares de impulsos y de los radares de onda continua , que anteriormente estaban separados debido a la complejidad de la electrónica .
El primer radar Doppler de pulsos operativo estaba en el CIM-10 Bomarc , un misil supersónico estadounidense de largo alcance propulsado por motores ramjet y que estaba armado con un arma nuclear W40 para destruir formaciones enteras de aviones enemigos atacantes. [1] Los sistemas Pulse-Doppler se utilizaron ampliamente por primera vez en aviones de combate a partir de la década de 1960. Los radares anteriores habían utilizado la sincronización de pulsos para determinar el alcance y el ángulo de la antena (o medios similares) para determinar el rumbo. Sin embargo, esto sólo funcionó cuando la antena del radar no apuntaba hacia abajo; en ese caso, el reflejo del suelo superó cualquier retorno de otros objetos. A medida que el suelo se mueve a la misma velocidad pero en dirección opuesta a la del avión, las técnicas Doppler permiten filtrar el retorno al suelo, revelando aviones y vehículos. Esto proporciona a los radares Doppler de pulso la capacidad de " mirar hacia abajo/derribar ". Una ventaja secundaria del radar militar es reducir la potencia transmitida y al mismo tiempo lograr un rendimiento aceptable para mejorar la seguridad del radar furtivo. [2]
Las técnicas Pulse-Doppler también encuentran un uso generalizado en los radares meteorológicos , lo que permite al radar determinar la velocidad del viento a partir de la velocidad de cualquier precipitación en el aire. El radar Pulse-Doppler es también la base del radar de apertura sintética utilizado en astronomía por radar , teledetección y cartografía. En el control del tráfico aéreo , se utilizan para discriminar los aviones del desorden. Además de las aplicaciones de vigilancia convencionales mencionadas anteriormente, el radar Doppler de pulso se ha aplicado con éxito en la atención sanitaria, como la evaluación del riesgo de caídas y la detección de caídas, con fines clínicos o de enfermería. [3]
Los primeros sistemas de radar no funcionaron como se esperaba. La razón se debe a los efectos Doppler que degradan el rendimiento de los sistemas no diseñados para tener en cuenta objetos en movimiento. Los objetos que se mueven rápidamente provocan un cambio de fase en el pulso de transmisión que puede producir cancelación de señal. Doppler tiene un efecto perjudicial máximo en los sistemas indicadores de objetivos en movimiento , que deben utilizar un cambio de fase inverso para la compensación Doppler en el detector.
También se descubrió que los efectos meteorológicos Doppler (precipitación) degradan el radar convencional y el radar indicador de objetivos en movimiento, que pueden enmascarar los reflejos de los aviones. Este fenómeno se adaptó para su uso con radar meteorológico en la década de 1950 después de la desclasificación de algunos sistemas de la Segunda Guerra Mundial.
El radar Pulse-Doppler se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para superar las limitaciones al aumentar la frecuencia de repetición de los pulsos . Esto requirió el desarrollo del klistrón , el tubo de ondas viajeras y dispositivos de estado sólido. Los primeros dopplers de pulso eran incompatibles con otros dispositivos de amplificación de microondas de alta potencia que no son coherentes , pero se desarrollaron técnicas más sofisticadas que registran la fase de cada pulso transmitido para compararlo con los ecos devueltos.
Los primeros ejemplos de sistemas militares incluyen el AN/SPG-51 B desarrollado durante la década de 1950 específicamente con el fin de operar en condiciones de huracanes sin degradación del rendimiento.
El sistema de control de incendios Hughes AN/ASG-18 fue un prototipo de sistema combinado/de radar aerotransportado para el avión interceptor North American XF-108 Rapier planeado para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, y más tarde para el Lockheed YF-12 . El primer radar Doppler de pulso de Estados Unidos [4] , el sistema tenía capacidad de mirar hacia abajo/derribar y podía rastrear un objetivo a la vez.
Fue posible utilizar el radar Doppler de pulsos en aviones después de que se incorporaron computadoras digitales al diseño. Pulse-Doppler proporcionó capacidad de mirar hacia abajo/derribar para apoyar los sistemas de misiles aire-aire en la mayoría de los aviones militares modernos a mediados de la década de 1970.
Los sistemas Pulse-Doppler miden el alcance de los objetos midiendo el tiempo transcurrido entre el envío de un pulso de energía de radio y la recepción de un reflejo del objeto. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz , por lo que la distancia al objeto es el tiempo transcurrido multiplicado por la velocidad de la luz, dividido por dos: ida y vuelta.
El radar Pulse-Doppler se basa en el efecto Doppler , donde el movimiento dentro del rango produce un cambio de frecuencia en la señal reflejada por el objetivo.
La velocidad radial es esencial para el funcionamiento del radar Doppler de pulso. A medida que el reflector se mueve entre cada pulso de transmisión, la señal devuelta tiene una diferencia de fase , o cambio de fase , de un pulso a otro. Esto hace que el reflector produzca modulación Doppler en la señal reflejada.
Los radares Pulse-Doppler aprovechan este fenómeno para mejorar el rendimiento.
La amplitud del pulso que regresa sucesivamente del mismo volumen escaneado es
Entonces
Esto permite que el radar separe los reflejos de múltiples objetos ubicados en el mismo volumen de espacio al separar los objetos usando un espectro ensanchado para segregar diferentes señales:
¿Dónde está el cambio de fase inducido por el movimiento de rango?
La velocidad de rechazo se puede seleccionar en los sistemas de detección de aeronaves con pulso Doppler, por lo que no se detectará nada por debajo de esa velocidad. Un haz de antena de un grado ilumina millones de pies cuadrados de terreno a un alcance de 16 km (10 millas), y esto produce miles de detecciones en el horizonte o debajo de él si no se utiliza Doppler.
El radar Pulse-Doppler utiliza los siguientes criterios de procesamiento de señales para excluir señales no deseadas de objetos que se mueven lentamente. Esto también se conoce como rechazo del desorden. [5] La velocidad de rechazo generalmente se establece justo por encima de la velocidad del viento predominante (de 10 a 100 mph o de 20 a 160 km/h). El umbral de velocidad es mucho más bajo para los radares meteorológicos . [6]
En el radar Doppler de pulsos aerotransportado, el umbral de velocidad se compensa con la velocidad de la aeronave en relación con el suelo.
¿Dónde está el ángulo desplazado entre la posición de la antena y la trayectoria de vuelo de la aeronave?
Los reflejos superficiales aparecen en casi todos los radares. El desorden terrestre generalmente aparece en una región circular dentro de un radio de aproximadamente 25 millas (40 km) cerca del radar terrestre. Esta distancia se extiende mucho más en los radares aéreos y espaciales. El desorden se produce cuando la energía de radio se refleja desde la superficie de la tierra, los edificios y la vegetación. El desorden incluye el clima en el radar destinado a detectar e informar sobre aviones y naves espaciales. [7]
"El desorden crea una región vulnerable en el radar de dominio del tiempo de amplitud de pulso" . Los sistemas de radar no Doppler no pueden apuntar directamente al suelo debido al exceso de falsas alarmas, que abruman a las computadoras y a los operadores. Se debe reducir la sensibilidad cerca del desorden para evitar la sobrecarga. Esta vulnerabilidad comienza en la región de baja elevación a varios anchos de haz por encima del horizonte y se extiende hacia abajo. Esto también existe en todo el volumen de aire en movimiento asociado con los fenómenos meteorológicos.
El radar Pulse-Doppler corrige esto de la siguiente manera.
Se necesita una capacidad de rechazo de ruidos parásitos de aproximadamente 60 dB para la capacidad de mirar hacia abajo/derribar , y el Doppler de pulso es la única estrategia que puede satisfacer este requisito. Esto elimina las vulnerabilidades asociadas con el entorno de baja elevación y debajo del horizonte.
La compresión de pulso y el indicador de objetivo en movimiento (MTI) proporcionan una visibilidad de sub-obstrucción de hasta 25 dB. Un haz de antena MTI apunta por encima del horizonte para evitar una tasa excesiva de falsas alarmas, que hace que los sistemas sean vulnerables. Los aviones y algunos misiles explotan esta debilidad utilizando una técnica llamada volar por debajo del radar para evitar la detección ( siesta de la tierra ). Esta técnica de vuelo es ineficaz contra el radar Doppler de pulsos.
Pulse-Doppler proporciona una ventaja al intentar detectar misiles y aviones de baja observabilidad que vuelan cerca del terreno, la superficie del mar y el clima.
El Doppler audible y el tamaño del objetivo admiten la clasificación pasiva del tipo de vehículo cuando la identificación de amigo o enemigo no está disponible a partir de una señal de transpondedor . Las señales de microondas reflejadas con frecuencia de repetición de pulso media (PRF) caen entre 1.500 y 15.000 ciclos por segundo, lo cual es audible. Esto significa que un helicóptero suena como un helicóptero, un avión suena como un avión y un avión de hélice suena como hélices. Los aviones sin partes móviles producen un tono. El tamaño real del objetivo se puede calcular mediante la señal audible. [9]
Se requiere procesamiento de ambigüedad cuando el rango objetivo está por encima de la línea roja en el gráfico, lo que aumenta el tiempo de exploración.
El tiempo de escaneo es un factor crítico para algunos sistemas porque los vehículos que se mueven a la velocidad del sonido o por encima de ella pueden viajar una milla (1,6 km) cada pocos segundos, como el Exocet , el Harpoon , el Kitchen y los misiles aire-aire . El tiempo máximo para escanear todo el volumen del cielo debe ser del orden de una docena de segundos o menos para los sistemas que operan en ese entorno.
El radar Pulse-Doppler por sí solo puede ser demasiado lento para cubrir todo el volumen del espacio sobre el horizonte a menos que se utilice un haz en abanico. Este enfoque se utiliza con el radar de vigilancia aérea de muy largo alcance AN/SPS 49(V)5, que sacrifica la medición de elevación para ganar velocidad. [10]
El movimiento de la antena Pulse-Doppler debe ser lo suficientemente lento para que todas las señales de retorno de al menos 3 PRF diferentes puedan procesarse hasta el rango de detección máximo anticipado. Esto se conoce como tiempo de permanencia . [11] El movimiento de la antena para Doppler de pulso debe ser tan lento como el del radar que utiliza MTI .
Los radares de búsqueda que incluyen Doppler de pulso suelen ser de modo dual porque se logra el mejor rendimiento general cuando se utiliza Doppler de pulso en áreas con altas tasas de falsas alarmas (horizonte o debajo y clima), mientras que el radar convencional escaneará más rápido en el espacio libre donde hay falsas alarmas. la tasa de alarma es baja (sobre el horizonte con cielos despejados).
El tipo de antena es una consideración importante para el radar multimodo porque el cambio de fase indeseable introducido por la antena del radar puede degradar las mediciones de rendimiento para la visibilidad sin obstáculos.
La mejora del procesamiento de señales del Doppler de pulso permite detectar pequeños objetos de alta velocidad muy cerca de grandes reflectores que se mueven lentamente. Para lograr esto, el transmisor debe ser coherente y producir un ruido de fase bajo durante el intervalo de detección, y el receptor debe tener un rango dinámico instantáneo grande .
El procesamiento de señales Pulse-Doppler también incluye resolución de ambigüedad para identificar el rango y la velocidad verdaderos.
Las señales recibidas de múltiples PRF se comparan para determinar el alcance real mediante el proceso de resolución de ambigüedad de alcance .
Las señales recibidas también se comparan mediante el proceso de resolución de ambigüedad de frecuencia .
La resolución de alcance es la separación mínima de alcance entre dos objetos que viajan a la misma velocidad antes de que el radar pueda detectar dos reflejos discretos:
Además de este límite de muestreo, la duración del pulso transmitido podría significar que los retornos de dos objetivos se recibirán simultáneamente desde diferentes partes del pulso.
La resolución de velocidad es la diferencia mínima de velocidad radial entre dos objetos que viajan al mismo rango antes de que el radar pueda detectar dos reflejos discretos:
El radar Pulse-Doppler tiene requisitos especiales que deben cumplirse para lograr un rendimiento aceptable.
Pulse-Doppler normalmente utiliza una frecuencia de repetición de pulso (PRF) media de aproximadamente 3 kHz a 30 kHz. El rango entre los pulsos de transmisión es de 5 km a 50 km.
El alcance y la velocidad no se pueden medir directamente utilizando PRF medio, y se requiere una resolución de ambigüedad para identificar el alcance y la velocidad verdaderos. Las señales Doppler generalmente están por encima de 1 kHz, que es audible, por lo que las señales de audio de sistemas de PRF medio se pueden utilizar para la clasificación pasiva de objetivos.
Los sistemas de radar requieren medición angular. Los transpondedores normalmente no están asociados con el radar Doppler de pulsos, por lo que se requiere la supresión de los lóbulos laterales para su funcionamiento práctico. [12] [13]
Los sistemas de radar de seguimiento utilizan el error de ángulo para mejorar la precisión al producir mediciones perpendiculares al haz de la antena del radar. Las mediciones angulares se promedian durante un período de tiempo y se combinan con el movimiento radial para desarrollar información adecuada para predecir la posición del objetivo durante un corto período de tiempo en el futuro.
Las dos técnicas de error de ángulo utilizadas con el radar de seguimiento son el monopulso y el escaneo cónico .
El radar Pulse-Doppler requiere un oscilador coherente con muy poco ruido. El ruido de fase reduce el rendimiento de la visibilidad secundaria al producir un movimiento aparente en objetos estacionarios.
El magnetrón de cavidad y el amplificador de campo cruzado no son apropiados porque el ruido introducido por estos dispositivos interfiere con el rendimiento de la detección. Los únicos dispositivos de amplificación adecuados para el Doppler de pulso son el klistrón , el tubo de ondas viajeras y los dispositivos de estado sólido.
El procesamiento de la señal Pulse-Doppler introduce un fenómeno llamado festoneado. El nombre está asociado con una serie de agujeros que se extraen del rendimiento de detección.
El festón para el radar Doppler de pulso implica velocidades ciegas creadas por el filtro de rechazo de parásitos. Cada volumen de espacio debe escanearse utilizando 3 o más PRF diferentes. Un esquema de detección de dos PRF tendrá espacios de detección con un patrón de rangos discretos, cada uno de los cuales tiene una velocidad ciega.
Los artefactos de timbre plantean un problema con la búsqueda, detección y resolución de ambigüedad en el radar Doppler de pulso.
El timbre se reduce de dos maneras.
Primero, se ajusta la forma del pulso de transmisión para suavizar el borde anterior y el borde posterior de modo que la potencia de RF aumente y disminuya sin un cambio abrupto. Esto crea un pulso de transmisión con extremos suaves en lugar de una onda cuadrada, lo que reduce el fenómeno de timbre que de otro modo se asocia con la reflexión del objetivo.
En segundo lugar, la forma del pulso de recepción se ajusta mediante una función de ventana que minimiza el timbre que se produce cada vez que se aplican pulsos a un filtro. En un sistema digital, esto ajusta la fase y/o amplitud de cada muestra antes de aplicarla a la transformada rápida de Fourier . La ventana Dolph-Chebyshev es la más efectiva porque produce un piso de procesamiento plano sin ruidos que de otro modo causarían falsas alarmas. [14]
El radar Pulse-Doppler generalmente se limita a antenas dirigidas mecánicamente y conjuntos en fase activos.
Los componentes mecánicos de RF, como la guía de ondas, pueden producir modulación Doppler debido al cambio de fase inducido por la vibración. Esto introduce el requisito de realizar pruebas operativas de espectro completo utilizando mesas vibratorias que puedan producir vibraciones mecánicas de alta potencia en todas las frecuencias de audio previstas.
Doppler es incompatible con la mayoría de las antenas de matriz en fase dirigidas electrónicamente . Esto se debe a que los elementos desfasadores de la antena no son recíprocos y el desfase debe ajustarse antes y después de cada pulso de transmisión. El cambio de fase espurio se produce por el impulso repentino del cambio de fase, y el asentamiento durante el período de recepción entre los pulsos de transmisión coloca la modulación Doppler en un desorden estacionario. Esa modulación de recepción corrompe la medida del rendimiento para la visibilidad del subdesorden. Se requiere un tiempo de estabilización del desfasador del orden de 50 ns. El inicio del muestreo del receptor debe posponerse al menos una constante de tiempo de estabilización del desfasador (o más) por cada 20 dB de visibilidad de subobstrucción.
La mayoría de los desfasadores de antena que funcionan a PRF por encima de 1 kHz introducen un cambio de fase espurio a menos que se tomen disposiciones especiales, como reducir el tiempo de establecimiento del desfasador a unas pocas docenas de nanosegundos. [15]
A continuación se proporciona el tiempo de establecimiento máximo permitido para módulos de desplazamiento de fase de antena .
dónde
El tipo de antena y el rendimiento de escaneo son una consideración práctica para los sistemas de radar multimodo.
Las superficies entrecortadas, como olas y árboles, forman una rejilla de difracción adecuada para desviar señales de microondas. Pulse-Doppler puede ser tan sensible que la difracción de montañas, edificios o cimas de olas puede usarse para detectar objetos que se mueven rápidamente y que de otro modo estarían bloqueados por una obstrucción sólida a lo largo de la línea de visión. Este es un fenómeno con muchas pérdidas que sólo es posible cuando el radar tiene un exceso significativo de visibilidad de subobstrucción.
La refracción y los conductos utilizan una frecuencia de transmisión en la banda L o inferior para extender el horizonte, lo cual es muy diferente de la difracción. La refracción para radares sobre el horizonte utiliza una densidad variable en la columna de aire sobre la superficie de la tierra para desviar las señales de RF. Una capa de inversión puede producir un conducto troposférico transitorio que atrapa señales de RF en una fina capa de aire como una guía de ondas.
La visibilidad del subdesorden implica la relación máxima entre la potencia del desorden y la potencia objetivo, que es proporcional al rango dinámico. Esto determina el rendimiento en condiciones climáticas adversas y cerca de la superficie terrestre.
La visibilidad del subclutter es la proporción de la señal más pequeña que se puede detectar en presencia de una señal más grande.
Se puede detectar un pequeño reflejo de un objetivo que se mueve rápidamente en presencia de reflejos de desorden más grandes y que se mueven lentamente cuando se cumple lo siguiente:
La ecuación del radar Doppler de pulso se puede utilizar para comprender las compensaciones entre diferentes restricciones de diseño, como el consumo de energía, el rango de detección y los riesgos de seguridad de las microondas. Esta es una forma muy simple de modelado que permite evaluar el desempeño en un ambiente estéril.
El rendimiento del rango teórico es el siguiente.
dónde
Esta ecuación se obtiene combinando la ecuación del radar con la ecuación del ruido y teniendo en cuenta la distribución del ruido dentro de banda a través de múltiples filtros de detección. El valor D se agrega a la ecuación de alcance del radar estándar para tener en cuenta tanto el procesamiento de la señal Doppler de pulso como la reducción de ruido de FM del transmisor .
El rango de detección aumenta proporcionalmente a la cuarta raíz del número de filtros para un consumo de energía determinado. Alternativamente, el consumo de energía se reduce según la cantidad de filtros para un rango de detección determinado.
El procesamiento de señales Pulse-Doppler integra toda la energía de todos los pulsos reflejados individuales que ingresan al filtro. Esto significa que un sistema de procesamiento de señal Doppler de pulso con 1024 elementos proporciona 30,103 dB de mejora debido al tipo de procesamiento de señal que se debe utilizar con el radar Doppler de pulso. La energía de todos los pulsos individuales del objeto se suma mediante el proceso de filtrado.
El procesamiento de señal para un filtro de 1024 puntos mejora el rendimiento en 30,103 dB, suponiendo que un transmisor y una antena sean compatibles. Esto corresponde a un aumento del 562 % en la distancia máxima.
Estas mejoras son la razón por la que el pulso Doppler es esencial para el ejército y la astronomía.
El radar Pulse-Doppler para la detección de aeronaves tiene dos modos.
El modo de exploración implica filtrado de frecuencia, umbral de amplitud y resolución de ambigüedad. Una vez que se ha detectado y resuelto un reflejo , el radar Doppler de pulso pasa automáticamente al modo de seguimiento para el volumen de espacio que rodea la pista.
El modo de seguimiento funciona como un bucle de fase bloqueada , donde la velocidad Doppler se compara con el movimiento del rango en exploraciones sucesivas. Lock indica que la diferencia entre las dos mediciones está por debajo de un umbral, lo que sólo puede ocurrir con un objeto que satisfaga la mecánica newtoniana . Otros tipos de señales electrónicas no pueden producir un bloqueo. El bloqueo no existe en ningún otro tipo de radar.
El criterio de bloqueo debe cumplirse durante el funcionamiento normal. [dieciséis]
Lock elimina la necesidad de intervención humana con excepción de helicópteros y interferencias electrónicas .
Los fenómenos meteorológicos obedecen a procesos adiabáticos asociados a la masa de aire y no a la mecánica newtoniana , por lo que el criterio de bloqueo no se utiliza normalmente para los radares meteorológicos.
El procesamiento de señales Pulse-Doppler excluye selectivamente los reflejos de baja velocidad para que no se produzcan detecciones por debajo de un umbral de velocidad. Esto elimina las interferencias del terreno, el clima, las biológicas y las mecánicas, con la excepción de los aviones señuelo.
La señal Doppler objetivo de la detección se convierte del dominio de la frecuencia al sonido del dominio del tiempo para el operador en el modo de seguimiento en algunos sistemas de radar. El operador utiliza este sonido para la clasificación pasiva de objetivos, como el reconocimiento de helicópteros y la interferencia electrónica.
Se requiere una consideración especial para aeronaves con piezas móviles grandes porque el radar Doppler de pulso funciona como un bucle de fase bloqueada . Las puntas de las palas que se mueven cerca de la velocidad del sonido producen la única señal que se puede detectar cuando un helicóptero se mueve lentamente cerca del terreno y del clima.
Un helicóptero parece un emisor de ruido que pulsa rápidamente, excepto en un entorno despejado y libre de obstáculos. Se produce una señal audible para la identificación pasiva del tipo de objeto en el aire. El cambio de frecuencia Doppler de microondas producido por el movimiento del reflector cae dentro del rango de sonido audible para los seres humanos ( 20 – 20.000 Hz ), que se utiliza para la clasificación de objetivos, además de los tipos de pantallas de radar convencionales utilizadas para ese propósito, como el A-scope, B. -scope, C-scope y indicador RHI. El oído humano puede notar la diferencia mejor que los equipos electrónicos.
Se requiere un modo especial porque la información de retroalimentación de velocidad Doppler debe desvincularse del movimiento radial para que el sistema pueda pasar de escaneo a seguimiento sin bloqueo.
Se requieren técnicas similares para desarrollar información de seguimiento para señales de interferencia e interferencias que no pueden satisfacer el criterio de bloqueo.
El radar Pulse-Doppler debe ser multimodo para manejar los giros y cruces de trayectoria de las aeronaves.
Una vez en modo de seguimiento, el radar Doppler de pulso debe incluir una forma de modificar el filtrado Doppler para el volumen de espacio que rodea un seguimiento cuando la velocidad radial cae por debajo de la velocidad mínima de detección. El ajuste del filtro Doppler debe estar vinculado con una función de seguimiento de radar para ajustar automáticamente la velocidad de rechazo Doppler dentro del volumen de espacio que rodea el seguimiento.
El seguimiento cesará sin esta función porque, de lo contrario, el filtro Doppler rechazará la señal del objetivo cuando la velocidad radial se acerque a cero porque no hay cambios en la frecuencia.
La operación multimodo también puede incluir iluminación de onda continua para localización por radar semiactivo .
