Diseño técnico de los componentes de un radar y su funcionamiento.
La ingeniería de radar es el diseño de los aspectos técnicos relacionados con los componentes de un radar y su capacidad para detectar la energía de retorno de los dispersores en movimiento , lo que determina la posición de un objeto o una obstrucción en el entorno. [1] [2] [3] Esto incluye el campo de visión en términos de ángulo sólido y alcance y velocidad máximos inequívocos, así como la resolución angular, de alcance y de velocidad. Los sensores de radar se clasifican por aplicación, arquitectura, modo de radar, plataforma y ventana de propagación.
El ángulo de un objetivo se detecta escaneando el campo de visión con un haz altamente direccional. Esto se hace electrónicamente, con una antena de matriz en fase , o mecánicamente rotando una antena física . El emisor y el receptor pueden estar en el mismo lugar, como en los radares monoestáticos , o estar separados como en los radares biestáticos . Finalmente, la onda de radar emitida puede ser continua o pulsada. La elección de la arquitectura depende de los sensores a utilizar.
Antena de escaneo
Fig. 1 : Una matriz pasiva escaneada electrónicamente con una red de alimentación monopulso.
Un conjunto de barrido electrónico (ESA, por sus siglas en inglés), o un conjunto en fase , ofrece ventajas sobre las antenas de barrido mecánico, como el barrido instantáneo del haz, la disponibilidad de múltiples haces ágiles simultáneos y modos de radar que funcionan simultáneamente. Los factores de mérito de un ESA son el ancho de banda , la potencia isótropa radiada efectiva (EIRP, por sus siglas en inglés) y el cociente G R /T, el campo de visión. EIRP es el producto de la ganancia de transmisión, G T , y la potencia de transmisión, P T . G R /T es el cociente de la ganancia de recepción y la temperatura de ruido de la antena. Una EIRP y una G R /T altas son un requisito previo para la detección de largo alcance. Las opciones de diseño son:
Activo versus pasivo : En un arreglo de barrido electrónico activo (AESA), cada antena está conectada a un módulo T/R que cuenta con amplificación de potencia de estado sólido (SSPA). Un AESA tiene amplificación de potencia distribuida y ofrece alto rendimiento y confiabilidad, pero es costoso. En un arreglo de barrido electrónico pasivo , el arreglo está conectado a un solo módulo T/R que cuenta con dispositivos electrónicos de vacío (VED). Un PESA tiene amplificación de potencia centralizada y ofrece ahorros de costos, pero requiere desfasadores de baja pérdida.
Apertura : La apertura de la antena de un sensor de radar es real o sintética. Los sensores de radar de haz real permiten detectar objetivos en tiempo real. El radar de apertura sintética (SAR) permite una resolución angular que va más allá del ancho de haz real al mover la apertura sobre el objetivo y agregar ecos de manera coherente.
Arquitectura : El campo de visión se escanea con haces ortogonales en frecuencia (guía de onda ranurada), ortogonales en el espacio (redes de formación de haces conmutados) u ortogonales en el tiempo de alta dirección. [4] [5] [6] En el caso del escaneo ortogonal en el tiempo, el haz de un ESA se escanea preferiblemente aplicando un retardo de tiempo progresivo, , constante sobre la frecuencia, en lugar de aplicar un cambio de fase progresivo, constante sobre la frecuencia. El uso de desfasadores de retardo de tiempo real (TTD) evita el entrecruzamiento del haz con la frecuencia. El ángulo de escaneo, , se expresa como una función de la progresión del cambio de fase, , que es una función de la frecuencia y el retardo de tiempo progresivo, , que es invariante con la frecuencia:
Tenga en cuenta que no es una función de la frecuencia. Un cambio de fase constante en la frecuencia también tiene aplicaciones importantes, aunque en la síntesis de patrones de banda ancha. Por ejemplo, la generación de patrones de recepción monopulso de banda ancha depende de una red de alimentación que combina dos submatrices utilizando un acoplador híbrido de banda ancha .
Formación de haz : el haz se forma en el dominio digital (formación de haz digital (DBF)), de frecuencia intermedia (IF), óptico o de radiofrecuencia (RF).
Construcción : Una matriz escaneada electrónicamente es una construcción de ladrillo, varilla, mosaico o bandeja. El ladrillo y la bandeja se refieren a un enfoque de construcción en el que los circuitos de RF se integran perpendicularmente al plano de la matriz. El mosaico, por otro lado, se refiere a un enfoque de construcción en el que los circuitos de RF se integran en sustratos paralelos al plano de la matriz. El palo se refiere a un enfoque de construcción en el que los circuitos de RF se conectan a una matriz lineal en el plano de la matriz.
Red de alimentación : La red de alimentación está restringida (corporativa, en serie) o alimentada por espacio.
Cuadrícula : La cuadrícula es periódica (rectangular, triangular) o aperiódica (adelgazada).
Polarización (antena) : La polarización de los sensores de radar terrestres es vertical, con el fin de reducir la propagación por trayectos múltiples ( ángulo de Brewster ). Los sensores de radar también pueden ser polarimétricos para aplicaciones en cualquier condición climática.
FMCW frente a pulso Doppler
El alcance y la velocidad de un objetivo se detectan mediante el método de retardo de pulso y el efecto Doppler ( pulso-Doppler ), o mediante el método de modulación de frecuencia (FM) y la diferenciación de alcance. La resolución del alcance está limitada por el ancho de banda de la señal instantánea del sensor de radar, tanto en los radares de pulso-Doppler como en los de onda continua modulada en frecuencia ( FMCW ). Los sensores de radar monoestáticos monopulso - Doppler ofrecen ventajas sobre los radares FMCW, como:
Half-duplex : los sensores de radar de pulso Doppler son half-duplex, mientras que los sensores de radar FMCW son full-duplex. Por lo tanto, los sensores de radar de pulso Doppler proporcionan un mayor aislamiento entre el transmisor y el receptor, lo que aumenta considerablemente el rango dinámico (DR) del receptor y la detección de distancia. Además, una antena o un conjunto pueden compartirse en el tiempo entre el transmisor y el receptor del módulo T/R, mientras que los radares FMCW requieren dos antenas o conjuntos, uno para transmitir y otro para recibir. Un inconveniente del funcionamiento half-duplex es la existencia de una zona ciega en las inmediaciones del sensor de radar. Por lo tanto, los sensores de radar de pulso Doppler son más adecuados para la detección de largo alcance, mientras que los sensores de radar FMCW son más adecuados para la detección de corto alcance.
Monopulso : Una red de alimentación monopulso , como se muestra en la Fig. 2, aumenta la precisión angular a una fracción del ancho del haz al comparar ecos que se originan a partir de un solo pulso radiado y que se reciben en dos o más haces concurrentes y espacialmente ortogonales.
Compresión de pulsos : la compresión de pulsos desvincula el ancho de pulso y el ancho de banda de la señal instantánea, que de otro modo están inversamente relacionados. El ancho de pulso está relacionado con el tiempo en el objetivo, la relación señal-ruido (SNR) y el alcance máximo. El ancho de banda de la señal instantánea está relacionado con la resolución del alcance.
Procesamiento Doppler de pulsos : los ecos que se originan a partir de una ráfaga radiada se transforman al dominio espectral mediante una transformada de Fourier discreta (DFT). En el dominio espectral, el desorden estacionario se puede eliminar porque tiene un desplazamiento de frecuencia Doppler que es diferente del desplazamiento de frecuencia Doppler del objetivo en movimiento. El alcance y la velocidad de un objetivo se pueden estimar con una relación señal-ruido aumentada debido a la integración coherente de los ecos. [7]
Biestático versus monoestático
Los radares biestáticos tienen un transmisor y un receptor desplazados espacialmente. En este caso, el sensor de la antena transmisora informa al sistema de la posición angular del haz de exploración, mientras que los sensores de detección de energía están en la otra antena. La sincronización temporal es crucial para interpretar los datos, ya que la antena receptora no se mueve.
Los radares monoestáticos tienen un transmisor y un receptor ubicados en el mismo lugar. En este caso, la emisión debe estar aislada de los sensores de recepción, ya que la energía emitida es mucho mayor que la devuelta.
Plataforma
El desorden del radar depende de la plataforma, por ejemplo, las plataformas aéreas, las de automóviles, las de barcos, las espaciales y las terrestres.
Ventana de propagación
La frecuencia del radar se selecciona en función del tamaño y del nivel de preparación de la tecnología . La frecuencia del radar también se elige para optimizar la sección transversal del radar (RCS) del objetivo previsto, que depende de la frecuencia. Algunos ejemplos de ventanas de propagación son las ventanas de propagación de 3 GHz (S), 10 GHz (X), 24 GHz (K), 35 GHz (Ka), 77 GHz (W) y 94 GHz (W).
Modo radar
Los modos de radar para objetivos puntuales incluyen búsqueda y seguimiento. Los modos de radar para objetivos distribuidos incluyen mapeo terrestre e imágenes. El modo de radar establece la forma de onda del radar .
