Ingeniería de radares

Diseño técnico de los componentes de un radar y su funcionamiento.

La ingeniería de radar es el diseño de aspectos técnicos relacionados con los componentes de un radar y su capacidad para detectar la energía de retorno de los dispersores en movimiento , determinando la posición de un objeto u obstrucción en el entorno. ^{[1] [2] [3]} Esto incluye el campo de visión en términos de ángulo sólido y rango y velocidad máximos e inequívocos, así como resolución angular, de rango y velocidad. Los sensores de radar se clasifican por aplicación, arquitectura, modo de radar, plataforma y ventana de propagación.

Las aplicaciones del radar incluyen control de crucero adaptativo , guía de aterrizaje autónoma, altímetro de radar , gestión del tráfico aéreo , radar de alerta temprana , radar de control de incendios , detección de colisiones de advertencia frontal , radar de penetración terrestre , vigilancia y pronóstico del tiempo .

elección de arquitectura

El ángulo de un objetivo se detecta escaneando el campo de visión con un haz altamente directivo. Esto se hace electrónicamente, con una antena de matriz en fase , o mecánicamente girando una antena física . El emisor y el receptor pueden estar en el mismo lugar, como ocurre con 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 : Conjunto pasivo escaneado electrónicamente con una red de alimentación monopulso.

Una matriz de escaneo electrónico (ESA), o una matriz en fase , ofrece ventajas sobre las antenas de escaneo mecánico, como el escaneo de haz instantáneo, la disponibilidad de múltiples haces ágiles simultáneos y modos de radar de funcionamiento simultáneo. Las cifras de mérito de una ESA son el ancho de banda , la potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE) y el cociente G _R /T, el campo de visión. La PIRE 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 PIRE y un G _R /T elevados son un requisito previo para la detección a larga distancia. Las opciones de diseño son:

• Activo versus pasivo : en una matriz activa escaneada electrónicamente (AESA), cada antena está conectada a un módulo T/R que presenta amplificación de potencia de estado sólido (SSPA). Un AESA tiene amplificación de potencia distribuida y ofrece alto rendimiento y confiabilidad, pero es costoso. En una matriz pasiva escaneada electrónicamente , la matriz está conectada a un único módulo T/R que presenta dispositivos electrónicos de vacío (VED). Un PESA tiene amplificación de potencia centralizada y ofrece ahorros de costos, pero requiere desfasadores de bajas pérdidas.
• 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 más allá del ancho de haz real moviendo la apertura sobre el objetivo y agregando los ecos de manera coherente.
• Arquitectura : El campo de visión se escanea con haces ortogonales en frecuencia (guía de onda ranurada), espacialmente ortogonales (redes de formación de haces conmutadas) o ortogonales en el tiempo. ^{[4] [5] [6]} En el caso de escaneo ortogonal en el tiempo, el haz de un ESA se escanea preferiblemente aplicando un retardo de tiempo progresivo, constante sobre frecuencia, en lugar de aplicar un cambio de fase progresivo, constante sobre frecuencia. El uso de desfasadores de retardo de tiempo real (TTD) evita que el haz se entrecierre con la frecuencia. El ángulo de escaneo, se expresa en función de la progresión del cambio de fase, que es función de la frecuencia y el retardo de tiempo progresivo, que es invariante con la frecuencia: ${\displaystyle \Delta \tau }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \Delta \tau }$

${\displaystyle k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau }$

${\displaystyle \theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}}$

Tenga en cuenta que no es una función de la frecuencia. Un cambio de fase constante sobre 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 subconjuntos utilizando un acoplador híbrido de banda ancha . ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \Sigma /\Delta }$

• Formación del 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, palo, teja o bandeja. Ladrillo y bandeja se refiere a un enfoque de construcción en el que los circuitos de RF se integran perpendicularmente al plano del conjunto. Tile, 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. Stick se refiere a un enfoque de construcción en el que los circuitos de RF se conectan a un conjunto en línea en el plano del conjunto.
• 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, para reducir el multitrayecto ( ángulo de Brewster ). Los sensores de radar también pueden ser polarimétricos para aplicaciones en todo tipo de clima.

FMCW versus Doppler de pulso

El alcance y la velocidad de un objetivo se detectan mediante el alcance del retardo del pulso y el efecto Doppler ( pulse-Doppler ), o mediante el alcance y la diferenciación del alcance por modulación de frecuencia (FM). La resolución del alcance está limitada por el ancho de banda de la señal instantánea del sensor de radar tanto en los radares Doppler de pulso como en los de onda continua de frecuencia modulada ( FMCW ). Los sensores de radar monoestáticos monopulso- Doppler ofrecen ventajas sobre los radares FMCW, tales como:

• Half-duplex : Los sensores de radar Pulse-Doppler son half-duplex, mientras que los sensores de radar FMCW son full-duplex. Por lo tanto, el Doppler de pulso proporciona un mayor aislamiento entre el transmisor y el receptor, aumentando considerablemente el rango dinámico (DR) del receptor y la detección del rango. Además, se puede compartir el tiempo de una antena o conjunto 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 semidúplex es la existencia de una zona ciega en las inmediaciones del sensor de radar. Por lo tanto, los sensores de radar Pulse-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 los ecos que se originan a partir de un único pulso radiado y que se reciben en dos o más haces concurrentes y espacialmente ortogonales.
• Compresión de pulso : La compresión de pulso desrelaciona el ancho del pulso y el ancho de banda de la señal instantánea, que de otro modo están inversamente relacionados. El ancho del pulso está relacionado con el tiempo sobre 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 Pulse-Doppler : los ecos que se originan a partir de una ráfaga radiada se transforman al dominio espectral mediante una transformada discreta de Fourier (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 mayor SNR debido a la integración coherente de los ecos. ^[7]

Biestático versus monoestático

Los radares biestáticos tienen un transmisor y un receptor espacialmente dislocados. En este caso, el sensor de la antena transmisora ​​informa al sistema de la posición angular del haz de exploración mientras que los detectores de energía están en la otra antena. La sincronización horaria es crucial para interpretar los datos, ya que la antena del receptor no se mueve.

Los radares monoestáticos tienen un transmisor y un receptor ubicados espacialmente juntos. En este caso hay que aislar la emisión de los sensores de recepción ya que la energía emitida es muy superior a la devuelta.

Plataforma

El desorden del radar depende de la plataforma. Ejemplos de plataformas son las plataformas aéreas, de automóviles, de barcos, espaciales y terrestres.

Ventana de propagación

La frecuencia del radar se selecciona en función de consideraciones de tamaño y nivel de preparación tecnológica . La frecuencia del radar también se elige para optimizar la sección transversal del radar (RCS) del objetivo previsto, que depende de la frecuencia. 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), 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 .

Ver también

• Monopulso de amplitud para monopulso de comparación de amplitud
• Interferometría de fase para monopulso de comparación de fases.

Referencias

1. GW Stimson: "Introducción al radar aerotransportado, 2.ª edición", SciTech Publishing, 1998
2. P. Lacomme, J.-P. Hardange, J.-C. Marchais, E. Normant: "Sistemas de radar aéreo y espacial: introducción", IEE, 2001
3. MI Skolnik: "Introducción a los sistemas de radar, 3.ª edición", McGraw-Hill, 2005
4. RJ Mailloux: "Manual de antenas Phased Array", Artech House, 2005
5. E. Brookner: "Sistemas prácticos de antenas en fase", Artech House, 1991
6. RC Hansen: "Antenas de matriz en fase", John Wiley & Sons, 1998
7. A. Ludloff: "Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, 2. Auflage", Viewegs Fachbücher der Technik, 1998