Desorden (radar)

Ecos no deseados

Diferentes artefactos de radar saturan la pantalla del radar.

El desorden ^{[1] [2]} es el retorno no deseado (ecos) en los sistemas electrónicos, particularmente en referencia a los radares . Estos ecos suelen provenir de la tierra , el mar, la lluvia, los animales/insectos, la paja y las turbulencias atmosféricas , y pueden causar graves problemas de rendimiento en los sistemas de radar. Lo que una persona considera desorden no deseado, otra puede considerarlo un objetivo buscado. Sin embargo, los objetivos generalmente se refieren a dispersores puntuales y el desorden a dispersores extendidos (que cubren muchas celdas de rango, ángulo y Doppler). El desorden puede llenar un volumen (como la lluvia) o limitarse a una superficie (como la tierra). Se requiere un conocimiento del volumen o superficie iluminada para estimar el eco por unidad de volumen, η, o el eco por unidad de superficie, σ° (el coeficiente de retrodispersión del radar ).

Causas

El desorden puede ser causado por objetos creados por el hombre, como edificios y, intencionadamente, por contramedidas de radar como la paja . Otras causas incluyen objetos naturales como las características del terreno, el mar, las precipitaciones , las granizadas , las tormentas de polvo , las aves, las turbulencias en la circulación atmosférica y las estelas de meteoritos . El desorden del radar también puede deberse a otros fenómenos atmosféricos, como las perturbaciones en la ionosfera provocadas por tormentas geomagnéticas u otros fenómenos meteorológicos espaciales . Este fenómeno es especialmente evidente cerca de los polos geomagnéticos , donde la acción del viento solar sobre la magnetosfera terrestre produce patrones de convección en el plasma ionosférico . ^[3] El desorden del radar puede degradar la capacidad del radar sobre el horizonte para detectar objetivos. ^{[3] [4]} El desorden también puede originarse a partir de ecos de trayectorias múltiples de objetivos válidos causados ​​por la reflexión del suelo , los conductos atmosféricos o la reflexión / refracción ionosférica (por ejemplo, propagación anómala ). Este tipo de desorden es especialmente molesto ya que parece moverse y comportarse como objetivos comunes de interés, como aviones o globos meteorológicos .

Radar con limitación de ruido o desorden

Las señales electromagnéticas procesadas por un receptor de radar constan de tres componentes principales: señal útil (por ejemplo, ecos de aviones), interferencias y ruido . La señal total que compite con el retorno objetivo es, por tanto, desorden más ruido. ^[5] En la práctica, a menudo no hay desorden o el desorden domina y el ruido puede ignorarse. En el primer caso, se dice que el radar está limitado por el ruido, mientras que en el segundo está limitado por el desorden.

Desorden de volumen

Figura 1. Ilustración de Rain Cell iluminada

La lluvia, el granizo, la nieve y la paja son ejemplos de desorden volumétrico. Por ejemplo, supongamos que un objetivo en el aire, a un alcance , se encuentra dentro de una tormenta. ¿Cuál es el efecto sobre la detectabilidad del objetivo? ${\displaystyle R}$

Primero encuentre la magnitud del retorno del desorden. Suponga que el desorden llena la celda que contiene el objetivo, que los dispersores son estadísticamente independientes y que están distribuidos uniformemente en todo el volumen. El volumen de desorden iluminado por un pulso se puede calcular a partir de los anchos del haz y la duración del pulso, Figura 1. Si c es la velocidad de la luz y es la duración del pulso transmitido, entonces el pulso que regresa de un objetivo es equivalente a un físico. extensión de c , al igual que el retorno de cualquier elemento individual del desorden. Los anchos de haz en acimut y elevación, en un rango , son y respectivamente si se supone que la celda iluminada tiene una sección transversal elíptica. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \theta /2}$ ${\displaystyle \phi /2}$

El volumen de la celda iluminada es entonces:

${\displaystyle \ V_{m}=\pi R\tan(\theta /2)R\tan(\phi /2)(c\tau /2)}$

Para ángulos pequeños esto se simplifica a:

${\displaystyle \ V_{m}\approx {\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)}$

Se supone que el desorden es una gran cantidad de dispersores independientes que llenan la celda que contiene el objetivo de manera uniforme. El retorno de los ecos parásitos del volumen se calcula como para la ecuación normal del radar , pero la sección transversal del radar se reemplaza por el producto del coeficiente de retrodispersión del volumen, y el volumen de las células de los ecos parásitos, como se dedujo anteriormente. El retorno del desorden es entonces ${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

dónde

• ${\displaystyle P_{t}}$= potencia del transmisor (vatios)
• ${\displaystyle G_{t}}$= ganancia de la antena transmisora
• ${\displaystyle A_{r}}$= apertura efectiva (área) de la antena receptora
• ${\displaystyle R}$= distancia del radar al objetivo

Se debe hacer una corrección para tener en cuenta el hecho de que la iluminación del desorden no es uniforme en todo el ancho del haz. En la práctica, la forma del haz se aproximará a una función sinc que a su vez se aproxima a una función gaussiana . El factor de corrección se encuentra integrando a lo largo del ancho del haz la aproximación gaussiana de la antena. La potencia retrodispersada corregida es

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{2\log 2(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

Se pueden hacer varias sustituciones simplificadoras. La apertura de la antena receptora está relacionada con su ganancia mediante:

${\displaystyle \ A_{r}={\frac {G\lambda ^{2}}{4\pi }}}$

y la ganancia de la antena está relacionada con los dos anchos de haz mediante:

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

Generalmente se utiliza la misma antena tanto para transmisión como para recepción, por lo que la potencia de parásitos recibida es:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G\lambda ^{2}}{1024(\log 2)R^{2}}}c\tau \eta }$

Si la potencia de retorno de ruidos parásitos es mayor que la potencia de ruido del sistema, entonces el radar tiene límites de ruidos parásitos y la relación señal-ruido debe ser igual o mayor que la relación mínima señal-ruido para que el objetivo sea detectable.

De la ecuación del radar, el retorno desde el objetivo mismo será

${\displaystyle \ S={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

con una expresión resultante para la relación señal/clutter de

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1024(\log 2)G\sigma }{(4\pi )^{3}R^{2}c\tau \eta }}}$

La implicación es que cuando el radar está limitado por el ruido, la variación de la relación señal/ruido es una cuarta potencia inversa. Reducir a la mitad la distancia hará que la relación señal/ruido aumente (mejore) en un factor de 16. Sin embargo, cuando el volumen del radar está limitado por el desorden, la variación es una ley del cuadrado inverso y reducir a la mitad la distancia hará que la señal mejore el desorden. por sólo 4 veces.

Desde

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

resulta que

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {16(\log 2)\sigma }{\pi R^{2}\theta \phi c\tau \eta }}}$

Se requieren anchos de haz claramente estrechos y pulsos cortos para reducir el efecto del desorden reduciendo el volumen de la celda de desorden. Si se utiliza la compresión del pulso , entonces la duración del pulso adecuada que se utilizará en el cálculo es la del pulso comprimido, no la del pulso transmitido.

Problemas al calcular la relación entre señal y volumen

Un problema con el desorden de volumen, por ejemplo la lluvia, es que el volumen iluminado puede no estar completamente lleno, en cuyo caso se debe conocer la fracción llena y los dispersores pueden no estar distribuidos uniformemente. Considere una viga de 10° de elevación. Con un alcance de 10 kilómetros, el haz podría cubrir desde el nivel del suelo hasta una altura de 1.750 metros. Podría llover al nivel del suelo pero la parte superior del haz podría estar por encima del nivel de las nubes. En la parte del haz que contiene lluvia, la tasa de lluvia no será constante. Sería necesario saber cómo se distribuyó la lluvia para realizar una evaluación precisa del desorden y la relación señal-obstrucción. Todo lo que se puede esperar de la ecuación es una estimación redondeada a los 5 o 10 dB más cercanos.

Desorden superficial

El retorno del eco parásito a la superficie depende de la naturaleza de la superficie, su rugosidad, el ángulo rasante (ángulo que forma el haz con la superficie), la frecuencia y la polarización. La señal reflejada es la suma fasorial de un gran número de retornos individuales procedentes de una variedad de fuentes, algunas de ellas capaces de moverse (hojas, gotas de lluvia, ondas) y otras estacionarias (pilones, edificios, troncos de árboles). Las muestras individuales de desorden varían de una celda de resolución a otra (variación espacial) y varían con el tiempo para una celda determinada (variación temporal).

Relleno de vigas

Figura 2. Ilustración de iluminación de obstáculos de superficie de ángulo alto y bajo

Para un objetivo cerca de la superficie de la Tierra, de modo que la Tierra y el objetivo estén en la misma celda de resolución de rango, son posibles una de dos condiciones. El caso más común es cuando el haz cruza la superficie en un ángulo tal que el área iluminada en cualquier momento es solo una fracción de la superficie cruzada por el haz, como se ilustra en la Figura 2.

Caso limitado de longitud de pulso

Para el caso de longitud limitada del pulso, el área iluminada depende del ancho del azimut del haz y de la longitud del pulso, medida a lo largo de la superficie. El parche iluminado tiene un ancho en azimut de

${\displaystyle \ 2R\tan \theta /2}$.

La longitud medida a lo largo de la superficie es

${\displaystyle \ (c\tau /2)\sec \psi }$.

El área iluminada por el radar viene dada por

${\displaystyle \ A=2R(c\tau /2)(\tan \theta /2)\sec \psi }$

Para anchos de haz "pequeños" esto se aproxima a

${\displaystyle \ A=R(c\tau /2)\theta \sec \psi }$

El retorno del desorden es entonces

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ vatios

Sustituyendo el área iluminada. ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {c}{2^{7}\pi ^{3}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}$ vatios

¿Dónde está el coeficiente de retrodispersión del desorden? Convertir a grados e ingresar los valores numéricos da ${\displaystyle \sigma ^{o}}$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C=1300{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta ^{o}\sec \psi \sigma ^{o}}$ vatios

La expresión para el retorno objetivo permanece sin cambios, por lo que la relación señal/clutter es

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1}{1300}}{\frac {R^{3}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}{\frac {1}{\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$ vatios

Esto simplifica a

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=4\times 10^{-7}{\frac {\cos \psi }{R\tau \theta }}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

En el caso del ruido de superficie, la señal de ruido varía ahora inversamente con R. Reducir a la mitad la distancia sólo provoca una duplicación de la relación (una mejora del factor dos).

Problemas al calcular el desorden para el caso de duración limitada del pulso

Hay una serie de problemas al calcular la relación señal/clutter. El desorden en el haz principal se extiende sobre una variedad de ángulos rasantes y el coeficiente de retrodispersión depende del ángulo rasante. Aparecerá desorden en los lóbulos laterales de la antena, lo que a su vez implicará una variedad de ángulos rasantes y puede incluso implicar desorden de diferente naturaleza.

Caso de ancho de haz limitado

El cálculo es similar a los ejemplos anteriores, en este caso el área iluminada es

${\displaystyle \ A=\pi R^{2}\tan ^{2}\theta /2}$

que para anchos de haz pequeños se simplifica

${\displaystyle \ A\approx \pi R^{2}\theta ^{2}/4}$

El desorden regresa como antes.

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ vatios

Sustituyendo el área iluminada. ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\pi R^{2}(\theta /2)^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

Esto se puede simplificar a:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}\pi ^{2}R^{2}}}\theta ^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

Convirtiendo a grados ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}R^{2}}}(\theta ^{o}/180)^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

El rendimiento objetivo permanece sin cambios, por lo tanto

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {4^{4}R^{2}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}(180/\theta ^{o})^{2}{\frac {1}{\sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

Lo que simplifica a

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=5.25\times 10^{4}{\frac {1}{\theta ^{o2}R^{2}}}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

Como en el caso del desorden de volumen, la relación entre señal y desorden sigue una ley del cuadrado inverso.

Problemas generales al calcular el desorden superficial.

El problema general significativo es que el coeficiente de retrodispersión generalmente no se puede calcular y debe medirse. El problema es la validez de las mediciones tomadas en un lugar bajo un conjunto de condiciones que se utilizan en un lugar diferente bajo condiciones diferentes. Existen varias fórmulas empíricas y gráficos que permiten realizar una estimación, pero los resultados deben utilizarse con precaución.

Plegado de desorden

El plegado del desorden es un término utilizado para describir el "desorden" visto por los sistemas de radar . El plegamiento del desorden se convierte en un problema cuando la extensión del alcance del mismo (visto por el radar) excede el intervalo de frecuencia de repetición de pulsos del radar y ya no proporciona una supresión adecuada del desorden, y el desorden se "pliega" nuevamente dentro del alcance. La solución a este problema suele ser añadir impulsos de relleno a cada permanencia coherente del radar, aumentando el rango en el que el sistema aplica la supresión de parásitos.

La desventaja de hacer esto es que agregar pulsos de llenado degradará el rendimiento, debido al desperdicio de potencia del transmisor y a un tiempo de permanencia más prolongado.

Referencias

1. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G. (julio de 2019). "Detección de obstáculos terrestres para radar meteorológico de doble polarización mediante una novedosa función discriminante 3D". Revista de Tecnología Atmosférica y Oceánica . 36 (7): 1285-1296. Código Bib : 2019JAtOT..36.1285G. doi : 10.1175/JTECH-D-18-0147.1 .
2. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G.; Li Y.; Doviak RJ (junio de 2016). "Detección de obstáculos terrestres a partir de radar meteorológico mediante un método de doble polarización y escaneo dual". Atmósfera . 7 (6): 83. Código Bib : 2016 Atmos... 7... 83G. doi : 10.3390/atmos7060083 .
3. Riddolls, Ryan J (diciembre de 2006). Una perspectiva canadiense sobre el radar sobre el horizonte de alta frecuencia (PDF) (Informe técnico). Ottawa, Ontario, Canadá: Investigación y desarrollo de defensa de Canadá . pag. 38. DRDC OttawaTM 2006-285 . Consultado el 2 de diciembre de 2023 .
4. Elkins, TJ (marzo de 1980). Un modelo para el desorden auroral de radar de alta frecuencia (PDF) (Reporte técnico). Informes Técnicos RADC. vol. 1980. Roma, Nueva York: Centro de Desarrollo Aéreo de Roma . pag. 9. RADC-TR-80-122 . Consultado el 2 de diciembre de 2023 .
5. "Desorden del radar | Seguridad de la aviación de SKYbrary".