El radar monopulso es un sistema de radar que utiliza una codificación adicional de la señal de radio para proporcionar información direccional precisa. El nombre hace referencia a su capacidad de extraer el alcance y la dirección de un solo pulso de señal.
El radar monopulso evita los problemas que se observan 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 las medidas de apoyo electrónico y la radioastronomía . Los sistemas de radar monopulso se pueden construir con antenas reflectoras , antenas de lente o antenas de matriz .
Históricamente, los sistemas monopulso se han clasificado como monopulso de comparación de fase o monopulso de amplitud . Los sistemas modernos determinan la dirección a partir de la relación 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 "lobulado 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 la comprensión.
Los sistemas de escaneo cónico envían una señal ligeramente hacia un lado de la línea de puntería de la antena y luego giran el cuerno de alimentación para hacer que el lóbulo gire alrededor de la línea de puntería. Un objetivo centrado en la línea de puntería siempre está ligeramente iluminado por el lóbulo y proporciona un fuerte retorno. Si el objetivo está hacia un lado, se iluminará solo cuando el lóbulo apunte en esa dirección general, lo que dará como resultado una señal más débil en general (o intermitente 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.
Al buscar este máximo y mover la antena en esa dirección, se puede rastrear automáticamente un objetivo. Esto se facilita en gran medida si se utilizan dos antenas, ligeramente inclinadas hacia cada lado del eje de puntería. El rastreo 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 segundo, por ejemplo, los cambios en la dirección del objetivo, las nubes de lluvia y otros problemas pueden afectar drásticamente la señal de retorno. Dado que los sistemas de escaneo cónico dependen de que la señal aumente o se debilite únicamente debido a la posición del objetivo en relación con el haz, dichos cambios en la señal reflejada pueden hacer que se "confunda" con respecto a la posición del objetivo dentro del área de escaneo del haz.
Bloquear un escáner cónico también es relativamente fácil. El bloqueador simplemente tiene que enviar señales en la frecuencia del radar con la suficiente fuerza para hacerle pensar que esa es la señal de retorno más fuerte. En este caso, una serie de ráfagas cortas aleatorias de la señal parecerán una serie de objetivos en diferentes lugares dentro del haz. El bloqueo de este tipo puede hacerse más efectivo si se sincronizan las señales para que sean iguales a la velocidad de rotación de la fuente, pero se transmiten con un ligero retraso, lo que da como resultado un segundo pico fuerte dentro del haz, sin nada que los distinga. Los bloqueadores de este tipo se implementaron bastante temprano. Los británicos los usaron durante la Segunda Guerra Mundial contra el radar de escaneo cónico alemán Würzburg .
Los radares monopulso son similares en su construcción a los sistemas de escaneo cónico, 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, lo que indica qué dirección tiene un retorno más fuerte y, por lo tanto, la dirección general del objetivo en relación con el eje de puntería. Dado que esta comparación se lleva a cabo durante un pulso, que suele durar unos pocos microsegundos, los cambios en la posición o el rumbo del objetivo no tendrán ningún efecto en la comparación.
Para realizar esta comparación es necesario distinguir entre sí las distintas partes del haz. Normalmente, esto se consigue dividiendo el pulso en dos partes y polarizando cada una por separado antes de enviarla a un conjunto de bocinas de alimentación ligeramente descentradas. Esto da como resultado un conjunto de lóbulos, normalmente dos, que se superponen en el eje de puntería. A continuación, estos lóbulos se giran como en un escáner cónico normal. En la recepción, las señales se separan de nuevo y, a continuación, se invierte la potencia de una señal y, a continuación, se suman las dos ( en la imagen). Si el objetivo está a un lado del eje de puntería, la suma resultante será positiva; si está al otro, negativa.
Si los lóbulos están muy espaciados, esta señal puede producir un alto grado de precisión de apuntamiento dentro del haz, lo que se suma a la precisión natural del sistema de escaneo cónico. Mientras que los sistemas de escaneo cónico clásicos generan una precisión de apuntamiento 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. Se trata de una precisión de unos 10 m a una distancia de 100 km.
La resistencia a las interferencias se mejora considerablemente 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 a 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 solo un lóbulo, determinar la polarización precisa de la señal es difícil. Frente a los sistemas monopulso, el ECM generalmente ha recurrido a la transmisión de ruido blanco para simplemente cegar al 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 solo pulso de recepción. La señal suma suele pasar de vuelta por la guía de ondas utilizada para enviar el pulso de transmisión. Las dos señales delta son la de elevación (arriba-abajo) y la transversal (izquierda-derecha). [3]
La señal suma corresponde al 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 de la antena suma. Las mediciones del haz delta producen valores positivos o negativos según el cuadrante.
La señal de suma 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 se crean mediante 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 ubica 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.
En 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 envía a ambas bocinas de alimentación de la guía de ondas. La señal de RF de ambas bocinas de alimentación viaja por la guía de ondas, donde se combinan las señales de la bocina 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 se ubica de cara a la superficie reflectante en el punto focal o cerca de él.
Para la imagen de guía de ondas que se muestra, la señal de suma se crearía mediante una única bocina de alimentación de guía de ondas centrada entre las dos bocinas de alimentación que se muestran.
Las señales de radiofrecuencia de suma y delta se convierten a una frecuencia más baja en el receptor, donde se realiza el muestreo. Un procesador de señales produce la señal de error utilizando estas muestras.
El valor + o − de 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 señales de microondas (modo inactivo).
El error de ángulo se crea a partir de la señal delta mediante la realización de una relación compleja. Esto se hace para los haces delta izquierdo/derecho, y también se hace para los haces delta arriba/abajo (dos relaciones). Se puede encontrar una explicación de cómo se utilizan las partes reales e imaginarias con RADAR en la descripción del Doppler de pulso .
El resultado es un número con signo . El resultado del proceso de calibración es rotar el vector de error de ángulo de antena complejo sobre el eje real para reducir las pérdidas de procesamiento de la señal.
El error de ángulo se utiliza para realizar un ajuste que permita posicionar el objetivo a lo largo de la línea central de la antena. En un radar dirigido mecánicamente, el error de ángulo vertical impulsa un motor que mueve la antena hacia arriba o hacia abajo, y el error de 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 giran el cuerpo del misil de modo que el objetivo esté en la línea central de la antena.
Se puede utilizar una rueda, un espejo y una luz para visualizar lo real y lo imaginario descritos en esta ecuación. El espejo se coloca en un ángulo de 45 grados sobre la rueda para que puedas ver la parte delantera y la parte superior de la rueda al mismo tiempo. La luz se coloca sobre la rueda para que puedas verla cuando las luces de la habitación estén apagadas. Te sientas directamente frente a la rueda mientras un amigo hace girar la rueda. La vista de la parte delantera de la rueda (real) y la parte superior de la rueda (imaginaria) te indican la posición de la rueda.
Los pares de valores reales e imaginarios forman un número complejo explicado como partes reales e imaginarias .
La calibración dinámica es necesaria cuando hay tramos 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 incorrectas para tramos largos de 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 la 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, se puede omitir la señal de calibración 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 ajustar el conjunto de guía de ondas utilizando un rango de antena para obtener resultados consistentes.
La antena de matriz de cuatro cuadrantes consta de cuatro subconjuntos. Los subconjuntos están separados por una distancia d . El ángulo θ (en elevación o en acimut) se calcula a partir de la relación monopulso, que es la relación entre la señal de diferencia y la señal de 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 generan 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 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.
En el caso de una antena dirigida mecánicamente, la señal horizontal y la vertical se utilizan para crear una señal de accionamiento que genera par para dos motores de posicionamiento de antena. Un motor mueve la antena hacia la izquierda o la derecha, mientras que el otro la mueve hacia arriba o hacia abajo. El resultado es mover la posición de la antena de modo que el centro del haz de la antena permanezca apuntando directamente a la aeronave incluso cuando esta se mueve perpendicularmente al haz de la antena.
En el caso de un radar de rastreo mientras se escanea , se mantiene la posición y la velocidad de varias aeronaves. La última posición de la aeronave se mantiene utilizando la velocidad, y esa información se utiliza para dirigir un haz de energía hacia la aeronave. 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 en los sistemas de radar de matriz en fase .
El monopulso 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 en función de la velocidad. El procesamiento de señales de radar Doppler de pulsos utiliza esta técnica. Esto se combina con el escaneo cónico o monopulso para mejorar la fiabilidad del seguimiento. Es necesario separar la señal del objeto de la interferencia para evitar que se desvíe del objeto. Esto evita problemas en los que el sistema se ve engañado por aeronaves que vuelan demasiado cerca de la superficie de la tierra o aeronaves que vuelan a través de nubes.
Las antenas cónicas de barrido y monopulso son susceptibles a interferencias 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 fiable cuando la antena está apuntada demasiado cerca del suelo o demasiado cerca de condiciones meteorológicas adversas. Los sistemas sin modo de seguimiento Doppler de pulso pueden permanecer apuntando a objetos irrelevantes como árboles o nubes. Se requiere la atención constante del operador cuando no hay procesamiento de señal Doppler.
El radar monopulso era extremadamente "de 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 era menos confiable. Solo se usaba cuando se necesitaba una precisión extrema que justificara el costo. Los primeros usos incluyeron el misil Nike Ajax , que exigía una precisión muy alta, o para rastrear radares utilizados para medir varios lanzamientos de cohetes . El primer sistema de radar monopulso aerotransportado del mundo fue el sistema AIRPASS diseñado por los británicos Ferranti , que entró en servicio en 1960 en el avión interceptor English Electric Lightning de la RAF. Un desarrollo temprano 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 entró en producción. Estos radares desempeñaron un papel importante en las misiones Mercury, Gemini y las primeras Apolo, y se desplegaron en Bermudas, Tannarive y Australia, entre otros lugares para ese propósito. La modificación IRACQ [Increased Range ACQuisition] se instaló en algunas de estas instalaciones; ciertamente, la ubicada en Woomera, Australia, fue modificada de esa 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 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 municiones desechables como misiles.
