Zasada pracy radaru impulsowego

Radary impulsowe przeważają w technice radiolokacji, zarówno w zastosowaniach lotniczych, jak i poza nimi. Jedną z ich zalet jest prosty, szybki i stosunkowo dokładny pomiar współrzędnych przestrzennych wielu celów jednocześnie lub prawie jednocześnie. Współczesne radary impulsowe są skomplikowanymi i często bardzo drogimi urządzeniami, ale podstawowa zasada ich działania jest bardzo prosta. Najprostszy schemat ilustrujący działanie radaru impulsowego składa się z sześciu bloków funkcjonalnych, nie licząc anteny.

zasada działania radaru

Radar impulsowy pracuje w pewnym rytmie, za który odpowiedzialny jest generator taktujący, popularnie zwany czasosterem. Obie nazwy trafnie określają funkcję pełnioną przez ten podzespół, a mianowicie synchronizowanie czasowe pracy wielu innych bloków radaru, również tych, które nie zostały przedstawione na schemacie.

Krótkie impulsy generowane przez czasoster, tzw. impulsy spustowe, o ściśle określonej częstotliwości ich powtarzania, stymulują wytwarzanie w modulatorze nadajnika impulsów prostokątnych wysokiego napięcia o określonym czasie trwania, które z kolei powodują wytworzenie przez generator mikrofalowy impulsów ultrawielkiej częstotliwości o bardzo dużej mocy szczytowej, tzw. impulsów sondujących. Impulsy te poprzez linię przesyłową i przełącznik antenowy N-O (Nadawanie–Odbiór) doprowadzane są do anteny i wypromieniowane w przestrzeń w postaci impulsowej fali elektromagnetycznej. Ponieważ w czasie emisji tych impulsów łatwo mógłby zostać uszkodzony czuły odbiornik radaru, jest on na czas trwania impulsów sondujących odłączany od anteny za pomocą przełącznika N-O, jednak niewielka część energii impulsów sondujących przedostaje się do odbiornika, wskutek czego impuls może być zobrazowany na optycznym wskaźniku radaru, co ułatwia prawidłowy odczyt odległości.

Wraz z uruchomieniem modulatora, impulsy spustowe czasosteru wyzwalają generator podstawy czasu we wskaźniku, wskutek czego zainicjowany jest pomiar czasu upływającego od chwili wyemitowania w przestrzeń impulsu sondującego do momentu powrotu impulsów odbitych od ewentualnych obiektów.

Po zakończeniu generowania impulsu sondującego przełącznik N-O automatycznie odłącza od anteny nadajnik, a dołącza odbiornik, który w przypadku istnienia w otaczającej radar przestrzeni obiektów, odbiera odbite od nich impulsy (echa radiolokacyjne). Impulsy te po wzmocnieniu i detekcji w odbiorniku doprowadzane są do wskaźnika, umożliwiając zobrazowanie obiektów oraz określenie ich położenia w przestrzeni poprzez pomiar ich współrzędnych.

Możliwość wykorzystania jednej wspólnej anteny do nadawania i odbioru sygnałów pozwala znacznie zmniejszyć wymiary, masę i koszt całego urządzenia, co jest jedną z istotnych zalet radaru impulsowego.

Impulsowy pomiar odległości

Impulsowa metoda pomiaru odległości polega na pomiarze czasu tR przejścia impulsowej fali elektromagnetycznej od radaru do celu i z powrotem przy założeniu, że prędkość propagacji fali jest stała i znana. Czas tR jest wprost proporcjonalny do podwójnej wartości odległości R i odwrotnie proporcjonalny do prędkości propagacji c:

równanie 35

stąd po przekształceniu:

równanie 36

Pomiaru odległości dokonuje wskaźnik radiolokacyjny, a jak ten proces przebiega, przedstawiłem na następnym rysunku.

impulsowy pomiar odległości

Najprostszy wskaźnik do pomiaru i zobrazowania tylko jednej współrzędnej, tj. odległości, w nomenklaturze radarowej nosi oznaczenie wskaźnika typu A. W najprostszym przypadku składa się on z generatora impulsów prostokątnych, generatora podstawy czasu, generatora znaczników odległości, lampy oscyloskopowej oraz innych mniej istotnych dla naszych rozważań podzespołów, których nie przedstawiłem na schemacie. Wskaźnik taki umożliwia jednoczesną obserwację i pomiar odległości wielu obiektów „oświetlanych” w danym momencie impulsami sondującymi.

Generator impulsów prostokątnych wytwarza synchronicznie z impulsami z czasosteru długie impulsy o dodatniej polaryzacji, których czas trwania uwarunkowany jest żądanym zakresem pomiarowym odległości i określa czas trwania tp części roboczej (liniowej) napięcia podstawy czasu wytwarzanego w generatorze podstawy czasu.

Impulsy dodatnie doprowadzane są do jednej z siatek lampy oscyloskopowej i powodują okresowe odblokowywanie jej na czas tp. W pozostałym czasie lampa jest zablokowana i strumień elektronów nie dociera do ekranu lampy. Impulsy te doprowadzane są również do generatorów podstawy czasu i znaczników odległości oraz stanowią warunek generacji odpowiednich napięć.

Typowy kształt napięcia podstawy czasu jest piłozębowy i w zakresie czasu tp napięcie to jest liniową funkcją czasu. Dzięki temu sterowany przy jego pomocy zogniskowany uprzednio strumień elektronów lampy oscyloskopowej odchylany jest ze stałą prędkością kątową. W wyniku tego widoczna na ekranie plamka świetlna również porusza się ze stałą prędkością liniową vp. (Dokładnie, prędkość vp jest stała, jeżeli ekran lampy oscyloskopowej jest wycinkiem powierzchni kuli o promieniu równym odległości między płytkami odchylającymi, a ekranem. Jeśli ekran jest płaski, to przy założeniu, że kąt odchylania strumienia jest niewielki, nie popełnię dużego błędu twierdząc, że vp jest stała). Przy dużej częstotliwości podstawy czasu na ekranie obserwujemy ciągłą linię poziomą, której długość w przybliżeniu równa jest średnicy ekranu lampy.

Jeżeli cel znajdzie się w odległości leżącej w zakresie pomiarowym wskaźnika, to impuls echa wystąpi na płytkach pionowego odchylania po czasie tR względem impulsu synchronizującego, a linia podstawy czasu zostanie odkształcona w odległości l od jej początku, proporcjonalnej do odległości od celu

równanie 37

Współczynnik M = 2vp/c nazywany jest skalą podstawy odległości i wyrażany jest w mm/km. W ten sposób odległość rzeczywista do celu zobrazowana jest na linii podstawy czasu w postaci odcinka l, w liniowej skali M.

W podanym wyżej przypadku, pod wpływem impulsów z wyjścia odbiornika, plamka świetlna odchyli się w kierunku prostopadłym do linii podstawy czasu, dając zobrazowanie napięcia impulsów echa od celu w funkcji czasu liczonego względem momentu wyemitowania impulsu sondującego. Takie zobrazowanie nazywamy amplitudowym lub odchyleniowym. Kiedy natomiast napięcie sygnału z wyjścia odbiornika doprowadzimy nie do płytek odchylających lecz do siatki sterującej lampy oscyloskopowej, to pod wpływem impulsu echa nastąpi rozjaśnienie punktu podstawy czasu leżącego w odległości l od jej początku. Takie zobrazowanie sygnału nazywamy jaskrawościowym i jest ono stosowane we wskaźnikach zobrazowujących dwie lub trzy współrzędne celów (wskaźniki dwuwymiarowe i trójwymiarowe).

W obu przypadkach odległość do celu mierzona jest na zasadzie pomiaru odległości l dzielącej czoło impulsu sondującego lub początek podstawy czasu do czoła impulsu echa. W tym celu stosuje się podziałki elektronowe. Stanowią one serie krótkotrwałych impulsów wytwarzanych w czasie trwania części roboczej podstawy czasu, których odstępy czasowe dobrane są według żądanych przedziałów odległości między znacznikami. Impulsy te doprowadzone do płytek pionowego odchylania lampy oscyloskopowej wystąpią na ekranie w postaci amplitudowej, czyli pionowych, równo odległych od siebie „szpilek”, podane natomiast do siatki sterującej lampy, przyjmą postać jasnych punktów świetlnych. Ta ostatnia, jaskrawościowa forma zobrazowania elektronowych znaczników odległości stosowana jest powszechnie we wskaźnikach dwuwymiarowych (dwuwspółrzędnych).

Maksymalna jednoznacznie mierzona odległość (zasięg instrumentalny radaru)

Po tym jak impuls sondujący zostanie wyemitowany w przestrzeń, musi upłynąć dostateczny czas, aby wszystkie echa powróciły do radaru zanim zostanie wysłany następny impuls. Okres powtarzania impulsów sondujących Tp jest zatem zdeterminowany największą odległością, w jakiej spodziewamy się wykrywać cele. Jeżeli ten okres będzie zbyt krótki, to impulsy odbite od bardzo odległych celów mogą dotrzeć do radaru po wyemitowaniu następnego impulsu sondującego i być błędnie skojarzone właśnie z nim, a nie z poprzednim. W rezultacie daje to nieprawidłową, lub inaczej określając, niejednoznacznie zmierzoną odległość. Takie echo zostanie zobrazowane na wskaźniku w odległości bliższej niż jego odległość rzeczywista. Z powyższych rozważań wynika, że maksymalna jednoznacznie mierzona odległość Ru (u - ang. unambiguous czyli jednoznaczna) jest równa

równanie 38

gdzie fp– częstotliwości powtarzania impulsów, fp= 1/Tp

W przypadku radarów naziemnych częstotliwość powtarzania impulsów jest dobierana tak, ażeby moc impulsów echa przychodzących z odległości większej niż Ru była poniżej progu ich wykrywania przez radar, radary pokładowe natomiast z pewnych względów, które zostaną podane później, muszą pracować przy częstotliwości powtarzania nawet kilkuset tysięcy impulsów na sekundę. Maksymalna jednoznacznie mierzona odległość jest w tym przypadku równa zaledwie kilkaset metrów. Oczywiście taka sytuacja byłaby nie do przyjęcia gdyby nie było innych sposobów rozwiązania problemu niejednoznaczności impulsowego pomiaru odległości, ale o tym potem.

Parametry radaru impulsowego

Parametry urządzeń radiolokacyjnych można podzielić na operacyjne oraz techniczne. Te pierwsze, w zastosowaniach wojskowych zwane też parametrami taktycznymi, charakteryzują urządzenia radiolokacyjne z punktu widzenia jego możliwości operacyjnych i wiążą się ściśle z jego przeznaczeniem. Podstawowe parametry tej grupy to:

Parametry techniczne charakteryzują przede wszystkim poszczególne podzespoły radaru. Zalicza się do nich między innymi:

Do najczęściej spotykanych parametrów technicznych radaru można zaliczyć:

Najistotniejsze parametry techniczne zdefiniuję przy okazji omawiania podzespołów radaru, warto natomiast tu zdefiniować niektóre z parametrów operacyjnych:

Zasięg radiolokacyjny należy do podstawowych parametrów każdego radaru, ponieważ charakteryzuje on maksymalną odległość, w której wykrywane są cele. Zasięg zależy od wielu czynników związanych z konstrukcją urządzenia, rodzajem celu i parametrami atmosfery. Najpełniej zasięg opisuje jego charakterystyka zasięgowa, którą definiuje się jako miejsce geometryczne w przestrzeni o ustalonym prawdopodobieństwie poprawnego wykrycia i fałszywego alarmu. Pionowy przekrój charakterystyki zasięgowej nosi nazwę strefy wykrywania, wyznaczany jest eksperymentalnie dla celu o określonej skutecznej powierzchni odbicia (najczęściej 1m2) i określonym prawdopodobieństwie poprawnego wykrycia (0,5 lub 0,9) oraz w postaci wykresu dołączany do dokumentacji eksploatacyjnej urządzenia radiolokacyjnego.

W przypadku radarów impulsowych ważna jest również znajomość minimalnego zasięgu Rmin (tzw. strefy martwej). Minimalny zasięg zależy od czasu trwania impulsu sondującego i od bezwładności przełącznika N-O.

Obszar przeszukiwania to obszar ograniczony maksymalną i minimalną odległością wykrywania oraz szerokością sektora kąta azymutu i kąta elewacji.

Okres przeszukiwania to czas jednokrotnego przeglądu wszystkich elementów obszaru przeszukiwania. Zależy od metody przeszukiwania oraz od wielkości obszaru przeszukiwanego.

Rozróżnialność w odległości jest to minimalna odległość między dwoma celami punktowymi o tych samych współrzędnych kątowych, przy której można określić oddzielnie odległość do każdego z nich, tzn. cele te zobrazowane są w postaci oddzielnych znaczników.

Rozróżnialność w azymucie jest to minimalna różnica kątów azymutu dwóch celów punktowych posiadających identyczną odległość i kąt elewacji, przy której możliwy jest oddzielny pomiar azymutów każdego z nich.

Odporność na zakłócenia określana jest prawdopodobieństwem wykrycia celu i możliwością określenia jego współrzędnych z wymaganą dokładnością i rozróżnialnością w warunkach działania zewnętrznych zakłóceń. Zakłócenia mogą być naturalne (szumy, fluktuacja sygnałów echa, sygnały odbite od chmur) oraz organizowane (aktywne – szumy, impulsowe, maskujące, pozorujące oraz bierne – pakiety folii metalizowanej).

Niezawodność radaru określa się średnim czasem bezawaryjnej pracy urządzenia w określonych warunkach.

Właściwości eksploatacyjne określają czas rozwijania i zwijania urządzenia, dopuszczalny zakres temperatury otoczenia i wilgotności, maksymalny wiatr, itp.