Radar impulsowy

Radar impulsowy – działanie

Radar impulsowy (ang. pulse radar) – radar wykorzystujący do oświetlenia obiektów krótkie impulsy elektromagnetyczne. W przypadku gdy impulsem jest wycinek sygnału sinusoidalnego (o stałej częstotliwości), rozdzielczość odległościowa radaru jest proporcjonalna od czasu trwania impulsu. Przy czasie trwania impulsu 1 μs rozdzielczość odległościowa wynosi 150 m, przy czasie trwania impulsu 10 ns – 1,5 m. Ponieważ zasięg wykrywania radaru zależy od energii impulsu sondującego (iloczynu mocy i czasu trwania impulsu), w radarach pracujących z impulsem prostym (o stałej częstotliwości) konieczne było stosowanie ogromnych mocy (często powyżej 1 MW).

W celu zwiększenia rozróżnialności radaru przy zachowaniu akceptowalnych mocy impulsu stosuje się impulsy złożone. Zamiast wycinka sinusoidy o stałej częstotliwości stosuje się sygnał z liniowo modulowaną częstotliwością (ang. chirp radar, w dosłownym tłumaczeniu „radar ćwierkający” – odmiana radaru, w którym zachodzi modulacja częstotliwości fali nośnej w czasie impulsu) oraz filtry kompresyjne w odbiorniku radaru. W takim przypadku rozdzielczość zależy od odwrotności szerokości pasma impulsu. Dla szerokości pasma 1 MHz rozdzielczość wynosi 150 m, przy szerokości pasma 100 MHz – 1,5 m, przy szerokości 1 GHz – 0,15 m. W nowszych rozwiązaniach zamiast liniowej modulacji częstotliwości stosuje się kodowanie fazowe (bi i polifazowe)

Patent USA 2.678.997 Sidneya Darlingtona, strona z rysunkami

Przeciwieństwem radaru impulsowego jest radar z falą ciągłą (np. radar FMCW lub radar szumowy).

Radar impulsowy wykorzystuje pomiar czasu potrzebnego na przebycie przez sygnał drogi nadajnik-cel-odbiornik do wyznaczenia odległości pomiędzy anteną a celem. Nadajnik wysyła fale radiowe (w zakresie mikrofal) w postaci paczek krótkich impulsów, dzięki czemu nie zachodzi nakładanie się sygnałów odbitych od różnych celów znajdujących się w tym samym kierunku od anteny, ale w różnych odległościach (po filtrze kompresyjnym), ani interferencja z sygnałem nadawanym (poza strefą martwą, której odległość zależy od czasu trwania nadawanego impulsu). Możliwe jest dzięki temu zmierzenie nie tylko odległości od celu, ale także dostrzeżenie różnych celów znajdujących się – z punktu widzenia anteny – jeden za drugim. Dodatkowo, korzystając z kilku impulsów w paczce, dzięki efektowi Dopplera możliwe jest wyznaczenie prędkości wykrytych obiektów.

Sposób pomiaru odległości ${\displaystyle R_{s}}$ od anteny do celu wynika z zależności:

${\displaystyle R_{s}={v\cdot t_{s}}}$

gdzie:

${\displaystyle R_{s}-}$ droga pokonywana przez sygnał (impuls radarowy)

${\displaystyle v-}$ prędkość przemieszczania się impulsu

${\displaystyle t_{s}-}$ czas, jaki potrzebuje sygnał na pokonanie drogi pomiędzy nadajnikiem radaru, celem i odbiornikiem.

Ponieważ odległość od anteny nadawczo-odbiorczej do celu ${\displaystyle R_{c}}$ jest połową drogi ${\displaystyle R_{s},}$ którą przebywa sygnał, oraz podstawiając w miejsce prędkości sygnału prędkość, z jaką rozchodzi się fala elektromagnetyczna, czyli inaczej mówiąc prędkość światła ${\displaystyle c,}$ otrzymujemy wzór:

${\displaystyle R_{c}={\frac {c\cdot t_{s}}{2}}}$

gdzie:

${\displaystyle R_{c}-}$ dystans dzielący radar od celu,

${\displaystyle c=3\cdot 10^{8}m/s-}$ prędkość światła, z którą rozchodzi się fala radiowa.

Wiele współczesnych urządzeń radiolokacyjnych wykorzystują zasadę impulsowej modulacji fali. Podobną modulację fali – ale nie radiowej, tylko akustycznej – stosuje się także w sonarach; także w świecie zwierząt posługują się nią delfiny i nietoperze do identyfikacji obiektów w swym otoczeniu. To podobieństwo tego radaru do akustycznej echolokacji wywołuje skojarzenia z odgłosami ćwierkania, stąd angielska nazwa urządzenia^[1].

Filtracja kompresyjna (filtracja dopasowana) odebranego sygnału (zmodulowanej fali nośnej) w radarach impulsowych umożliwia także detekcję (wychwycenie) echa odbitego od celu w warunkach silnych szumów i zakłóceń, występujących w rzeczywistych warunkach funkcjonowania tych urządzeń. Dodatkowo filtracja kompresyjna „zawęża” impuls w odbiorniku powodując zwiększenie rozróżnialności radaru (w porównaniu z radarem bez modulacji z tym samym czasem trwania impulsu). Zobrazowano to na rysunkach poniżej.

Impuls z modulacją częstotliwości nośnej sygnału nadawanego (w kolorze czerwonym),
[częstotliwość nośna 10 Hz, modulacja 16 Hz, amplituda 1, czas trwania 1 s] i dwa echa (niebieskie)

przed filtracją

po filtracji: czas trwania sygnałów echa uległ skróceniu

Sygnały identyczne jak powyżej, plus dodatkowy szum biały (tzw. gaussowski, przy δ = 0,5)

(c) Flambe, CC-BY-SA-3.0 przed filtracją: sygnały znikają w szumie

po filtracji: sygnały echa stają się widoczne.

Ideę radaru impulsowego z liniową modulacją częstotliwości opracował w 1947 i opatentował Sidney Darlington, amerykański inżynier i wynalazca pracujący w Bell Laboratories. W następnych latach rozwijał i udoskonalał swój wynalazek, za co został kilkakrotnie wyróżniony i odznaczony, m.in. przez amerykańskie stowarzyszenie inżynierów IEEE.

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Patent USA nr 2.678.997 – Pulse Transmission, 31 grudnia 1949. patimg2.uspto.gov. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-03-19)].
• Patent USA nr 3.618.095 – Automatic Equalizer for Chirp Radar System, 10 listopada 1969