El radar monopulso es un sistema de radar que utiliza codificación adicional de la señal de radio para proporcionar información direccional precisa. El nombre se refiere a su capacidad para extraer alcance y dirección de un solo pulso de señal.
El radar monopulso evita los problemas observados en los sistemas de radar de barrido cónico , que pueden confundirse con cambios rápidos en la intensidad de la señal . El sistema también dificulta las interferencias . La mayoría de los radares diseñados desde la década de 1960 son sistemas monopulso. El método monopulso también se utiliza en sistemas pasivos, como medidas de apoyo electrónico y radioastronomía . Los sistemas de radar monopulso se pueden construir con antenas reflectoras , antenas de lentes o antenas de matriz .
Históricamente, los sistemas monopulso se han clasificado como monopulso de comparación de fases o monopulso de amplitud . Los sistemas modernos determinan la dirección a partir de la relación de monopulso, que contiene información tanto de amplitud como de fase. [1] [2] El método monopulso no requiere que las señales medidas sean pulsadas. Por lo tanto, se ha sugerido el nombre alternativo "lobulamiento simultáneo", pero no se ha popularizado.
El escaneo cónico no se considera una forma de radar monopulso, pero el siguiente resumen proporciona antecedentes que pueden ayudar a comprenderlo.
Los sistemas de escaneo cónico envían una señal ligeramente hacia un lado de la línea de puntería de la antena y luego giran la bocina de alimentación para hacer que el lóbulo gire alrededor de la línea de puntería. Un objetivo centrado en la mira siempre está ligeramente iluminado por el lóbulo y proporciona un fuerte retorno. Si el objetivo está a un lado, se iluminará sólo cuando el lóbulo apunte en esa dirección general, lo que dará como resultado una señal más débil en general (o parpadeante si la rotación es lo suficientemente lenta). Esta señal variable alcanzará un máximo cuando se gire la antena para que quede alineada en la dirección del objetivo.
Buscando este máximo y moviendo la antena en esa dirección, se puede rastrear automáticamente un objetivo. Esto se facilita enormemente mediante el uso de dos antenas, ligeramente inclinadas a cada lado del visor. El seguimiento se puede lograr comparando la señal de las dos antenas con dispositivos electrónicos simples, en lugar de tener que buscar un punto máximo durante el período de rotación de la antena.
Un problema con este enfoque es que las señales de radar a menudo cambian de amplitud por razones que no tienen nada que ver con la posición del haz. En el transcurso de unas pocas décimas de segundos, por ejemplo, los cambios en el rumbo del objetivo, las nubes de lluvia y otros problemas pueden afectar drásticamente la señal devuelta. Dado que los sistemas de escaneo cónico dependen del crecimiento o debilitamiento de la señal debido únicamente a la posición del objetivo en relación con el haz, tales cambios en la señal reflejada pueden hacer que se "confunda" acerca de la posición del objetivo dentro del área de escaneo del haz.
Atasco de un escáner cónico también es relativamente fácil. El bloqueador simplemente tiene que enviar señales en la frecuencia del radar con suficiente fuerza para hacerle pensar que se trata del retorno más fuerte. En este caso, una serie de ráfagas cortas aleatorias de la señal parecerán una serie de objetivos en diferentes ubicaciones dentro del haz. La interferencia de este tipo se puede hacer más efectiva sincronizando las señales para que sean iguales a la velocidad de rotación de la alimentación, pero transmitidas con un ligero retraso, lo que resulta en un segundo pico fuerte dentro del haz, sin nada que distinga a los dos. Los inhibidores de este tipo se desplegaron bastante pronto. Los británicos los utilizaron durante la Segunda Guerra Mundial contra el radar alemán de barrido cónico de Würzburg .
Los radares monopulso son similares en construcción general a los sistemas de escaneo cónicos, pero dividen el haz en partes y luego envían las dos señales resultantes fuera de la antena en direcciones ligeramente diferentes. Cuando se reciben las señales reflejadas, se amplifican por separado y se comparan entre sí, indicando qué dirección tiene un retorno más fuerte y, por tanto, la dirección general del objetivo en relación con la mira. Dado que esta comparación se lleva a cabo durante un pulso, que normalmente dura unos pocos microsegundos, los cambios en la posición del objetivo o el rumbo no tendrán ningún efecto en la comparación.
Para hacer tal comparación es necesario distinguir entre sí las diferentes partes de la viga. Normalmente esto se logra dividiendo el pulso en dos partes y polarizando cada una por separado antes de enviarlo a un conjunto de bocinas de alimentación ligeramente fuera del eje. Esto da como resultado un conjunto de lóbulos, generalmente dos, que se superponen en la mira. Luego, estos lóbulos se rotan como en un escáner cónico normal. En la recepción, las señales se separan nuevamente, luego se invierte la potencia de una señal y luego se suman las dos ( en la imagen). Si el objetivo está a un lado de la mira la suma resultante será positiva, si está al otro lado, negativa.
Si los lóbulos están muy juntos, esta señal puede producir un alto grado de precisión de puntería dentro del haz, lo que aumenta la precisión natural del sistema de escaneo cónico. Mientras que los sistemas de escaneo cónico clásicos generan una precisión de puntería del orden de 0,1 grados, los radares monopulso generalmente mejoran esto en un factor de 10, y los radares de seguimiento avanzados como el AN/FPS-16 tienen una precisión de 0,006 grados. Esta es una precisión de unos 10 m a una distancia de 100 km.
La resistencia a las interferencias mejora enormemente con respecto al escaneo cónico. Se pueden insertar filtros para eliminar cualquier señal que no esté polarizada o que esté polarizada solo en una dirección. Para confundir un sistema de este tipo, la señal de interferencia tendría que duplicar la polarización de la señal así como la sincronización, pero como la aeronave recibe sólo un lóbulo, es difícil determinar la polarización precisa de la señal. Contra los sistemas monopulso, ECM generalmente ha recurrido a la transmisión de ruido blanco para simplemente cegar el radar, en lugar de intentar producir retornos localizados falsos.
Las antenas monopulso producen una señal suma y dos señales delta. Esto permite realizar mediciones angulares utilizando un único pulso de recepción. La señal sumada generalmente vuelve a pasar por la guía de ondas utilizada para enviar el pulso de transmisión. Las dos señales delta son elevación (arriba-abajo) y transversal (izquierda-derecha). [3]
La señal suma se corresponde con el haz de la antena a lo largo de la línea central de la antena. Las señales delta son pares de haces adyacentes a la línea central del haz suma de la antena. Las mediciones del haz delta producen valores más o menos dependiendo del cuadrante.
La señal total se crea mediante una estructura de bocina de alimentación ubicada para maximizar la señal en el centro del haz de la antena. Las señales de RF delta son creadas por pares de bocinas de alimentación de antena ubicadas adyacentes a la bocina de alimentación de suma (la bocina de alimentación de suma no se muestra en la figura). La salida de cada par de bocinas de alimentación delta se suma, y esto crea una señal de salida cero cuando la señal de RF entrante se encuentra en el centro del haz de la antena. La intensidad de la señal de cada haz delta aumenta a medida que la aeronave se aleja de la línea central de la antena.
Para la imagen de guía de ondas que se muestra, una señal de RF polarizada horizontalmente llega a las dos bocinas de alimentación para producir una señal delta izquierda/derecha. La energía que llega desde el frente de onda de RF se lanza a ambas bocinas de alimentación de la guía de ondas. La señal de RF de ambas bocinas de alimentación sube por la guía de ondas donde se combinan las señales de las bocinas de alimentación izquierda y derecha. El combinador realiza una resta matemática de las señales eléctricas que llegan de las bocinas de alimentación. Esa resta produce la señal delta. Se utiliza una configuración de bocina de alimentación similar para producir la señal delta arriba/abajo (no se muestra). El conjunto de guía de ondas se puede utilizar por sí solo. Para una antena de alta ganancia, el conjunto de bocina de alimentación está ubicado frente a la superficie reflectante en el punto focal o cerca de él.
Para la imagen de guía de ondas que se muestra, la señal suma sería creada por una bocina de alimentación de guía de ondas única centrada entre las dos bocinas de alimentación que se muestran.
Las señales de radiofrecuencia suma y delta se convierten a una frecuencia más baja en el receptor donde se realiza el muestreo. Un procesador de señal produce la señal de error utilizando estas muestras.
El valor + o − para cada señal delta se crea mediante un cambio de fase de 0 grados o 180 grados en comparación con la señal suma. Se inyecta una señal de calibración en la ruta de recepción cuando el radar está inactivo, y esto establece un cambio de fase conocido entre diferentes rutas de señal de microondas (modo inactivo).
El error de ángulo se crea a partir de la señal delta realizando una relación compleja. Esto se hace para las vigas delta izquierda/derecha, y también para las vigas delta arriba/abajo (dos proporciones). Se puede encontrar una explicación de cómo se utilizan las partes reales e imaginarias con el RADAR en la descripción del Doppler de pulso .
El resultado es un número con signo . El resultado del proceso de calibración es rotar el complejo vector de error del ángulo de la antena sobre el eje real para reducir las pérdidas en el procesamiento de la señal.
El error de ángulo se utiliza para realizar un ajuste para colocar el objetivo a lo largo de la línea central de la antena. En el radar dirigido mecánicamente, el error del ángulo vertical impulsa un motor que mueve la antena hacia arriba o hacia abajo, y el error del ángulo horizontal impulsa un motor que dirige la antena hacia la izquierda o hacia la derecha. En un misil, el error de ángulo es una entrada al sistema de guía que posiciona las aletas de guía que rotan el cuerpo del misil de modo que el objetivo esté en la línea central de la antena.
Se pueden utilizar una rueda, un espejo y una luz para visualizar lo real e imaginario descrito en esta ecuación. El espejo se coloca en un ángulo de 45 grados sobre la rueda para que pueda ver la parte delantera y superior de la rueda al mismo tiempo. La luz está fijada a la rueda para que pueda verla cuando las luces de la habitación estén apagadas. Te sientas directamente frente al volante mientras un amigo hace girar el volante. La vista de la parte delantera de la rueda (real) y la parte superior de la rueda (imaginaria) le indica la posición de la rueda.
Pares de valores reales e imaginarios forman un número complejo explicado como partes reales e imaginarias .
La calibración dinámica es necesaria cuando hay recorridos largos de guía de ondas entre la antena y el primer convertidor descendente (consulte Receptor superheterodino ). Esto compensa los cambios de temperatura que alteran el tamaño y la longitud de la guía de ondas, lo que provocará variaciones de fase que producirán señales de error de ángulo incorrecto para recorridos largos de la guía de ondas. El término Cal se crea inyectando una señal de calibración en la guía de ondas de recepción mientras el sistema no está activo (suma y delta). El error de ángulo de la señal de calibración se utiliza para evaluar el error de ángulo durante el funcionamiento normal. La sintonización de antena se utiliza para realizar ajustes que crean la señal de error deseada cuando la antena se calibra en un rango de antena.
Cuando el recorrido de la guía de ondas es corto entre la antena y el receptor, la señal de calibración se puede omitir y el término de calibración se puede establecer en un valor fijo. También se puede almacenar un valor fijo para sistemas con recorridos largos de guía de ondas para permitir un funcionamiento degradado cuando no se puede realizar la calibración de RF. Es posible que sea necesario sintonizar el conjunto de guía de ondas utilizando un rango de antena para obtener resultados consistentes.
La antena de cuatro cuadrantes consta de cuatro subconjuntos. Los subconjuntos están separados por una distancia d . El ángulo θ (ya sea en elevación o en acimut) se estima a partir de la relación de monopulso, que es la relación de la señal diferencia sobre la señal suma. La ecuación de estimación viene dada por:
La derivación de una forma más general de esta ecuación se presenta en [2]
Los sistemas de seguimiento producen información constante sobre la posición de la aeronave y la posición de la antena es parte de esta información. Las señales de error de la antena se utilizan para generar retroalimentación como parte de un sistema RADAR que puede rastrear aeronaves.
La señal horizontal y la señal vertical creadas a partir de muestras de RF de la antena se denominan errores de ángulo. Estas señales de error de ángulo indican la distancia angular entre el centro del haz de la antena y la posición de la aeronave dentro del haz de la antena.
Para una antena dirigida mecánicamente, la señal horizontal y la señal vertical se utilizan para crear una señal de accionamiento que crea par para dos motores de posicionamiento de antena. Un motor mueve la antena hacia la izquierda/derecha. El otro motor mueve la antena hacia arriba/abajo. El resultado es mover la posición de la antena de modo que el centro del haz de la antena permanezca dirigido directamente a la aeronave incluso cuando la aeronave se mueve perpendicular al haz de la antena.
Para un seguimiento mientras se escanea el radar, la posición y la velocidad se mantienen para varias aeronaves. La última posición del avión se desplaza por inercia utilizando la velocidad, y esa información se utiliza para dirigir un haz de energía hacia el avión. La información de error de ángulo monopulso que se recibe se utiliza para ajustar los datos de posición y velocidad de la aeronave. Este es un modo común con los sistemas de radar de matriz en fase .
Monopulse de comparación de amplitud proporciona una explicación de las señales de antena involucradas en este proceso.
El efecto Doppler se puede utilizar para separar diferentes objetos según la velocidad. El procesamiento de señales de RADAR Pulse Doppler utiliza esta técnica. Esto se combina con escaneo cónico o monopulso para mejorar la confiabilidad de la vía. Es necesario separar la señal del objeto de la interferencia para evitar que se separe del objeto. Esto evita problemas en los que el sistema se ve engañado por aviones que vuelan demasiado cerca de la superficie de la Tierra o por aviones que vuelan a través de las nubes.
Las antenas de escaneo cónico y monopulso son susceptibles a la interferencia de fenómenos meteorológicos y objetos estacionarios. La interferencia resultante puede producir señales de retroalimentación que alejan el haz de la antena de la aeronave. Esto puede producir una posición de antena poco confiable cuando la antena apunta demasiado cerca del suelo o demasiado cerca de condiciones climáticas adversas. Los sistemas sin modo de seguimiento Pulse Doppler pueden seguir apuntando a objetos irrelevantes como árboles o nubes. Se requiere atención constante del operador cuando no hay procesamiento de señal Doppler.
El radar monopulso era de extremadamente "alta tecnología" cuando Robert M. Page lo introdujo por primera vez en 1943 en un experimento del Laboratorio de Investigación Naval . Como resultado, era muy caro, requería mucha mano de obra debido a su complejidad y menos fiable. Sólo se utilizaba cuando se necesitaba una precisión extrema que justificara el coste. Los primeros usos incluyeron el misil Nike Ajax , que exigía una precisión muy alta, o para los radares de seguimiento utilizados para medir varios lanzamientos de cohetes . El primer sistema de radar monopulso aerotransportado del mundo fue el sistema AIRPASS , diseñado por el británico Ferranti , que entró en servicio en 1960 en el avión interceptor English Electric Lightning de la RAF. Uno de los primeros desarrollos de radar monopulso, en 1958, fue el AN/FPS-16 , en el que colaboraron NRL y RCA. La primera versión, XN-1, utilizaba una lente de placa de metal. La segunda versión, XN-2, utilizaba una antena parabólica convencional de 3,65 metros [12 pies] y fue la versión que pasó a producción. Estos radares jugaron un papel importante en las misiones Mercury, Gemini y las primeras misiones Apollo, siendo desplegados en Bermuda, Tannarive y Australia, entre otros lugares para ese fin. La modificación IRACQ [Increased Range ACquisition] se instaló en algunas de estas instalaciones; ciertamente el que se encuentra en Woomera, Australia, fue modificado de esta manera. Una de las instalaciones más grandes apareció por primera vez en la década de 1970 como el radar AN/SPY-1 de la Marina de los EE. UU. utilizado en el sistema de combate Aegis y el radar MK-74 utilizado en el sistema de control de fuego de misiles guiados Tartar y en la investigación. [4] El costo y la complejidad de implementar el seguimiento monopulso se redujeron y la confiabilidad aumentó cuando el procesamiento de señales digitales estuvo disponible después de la década de 1970. La tecnología se encuentra en la mayoría de los radares de seguimiento modernos y en muchos tipos de artefactos desechables como los misiles.
