Параметры сигналов импульсных РЛС, методы их сжатия и измерения
Параметры имульсных сигналов
Характеристики и возможности импульсной РЛС в большой степени определяются параметрами импульсного сигнала. Мощность, частоту следования, длительность и модуляцию импульса можно выбрать так, чтобы получить оптимальное сочетание для данного приложения.
Мощность импульса непосредственно влияет на максимальную дальность до цели, которую РЛС способна обнаружить. Частота следования импульсов определяет максимальный диапазон однозначного измерения дальности. Длительность импульса определяет пространственное разрешение РЛС. Кроме того, длительность и форма импульса определяют спектр сигнала РЛС. Сокращение длительности импульса расширяет полосу сигнала, а расширение полосы системы увеличивает уровень шума приемника, что приводит к снижению чувствительности. Поскольку форма сигнала может определять его полосу и влиять на обнаружение и идентификацию цели, ее надо выбирать в соответствии с требованиями приложения.
Укорочение импульсов и снижение частоты их повторения повышают разрешение и диапазон однозначного измерения дальности, а повышение мощности увеличивает дальность действия РЛС. Однако существуют практические ограничения длительности и мощности импульсов. Например, большая пиковая мощность сокращает срок службы ламп выходного каскада передатчика. К счастью, для существенного снижения требований, предъявляемых к мощности и длительности импульсов, можно использовать сложные формы сигналов и методы сжатия импульсов.
Методы сжатия импульсов
Методы сжатия позволяют использовать сравнительно длинные импульсы, не теряя разрешения по расстоянию. В основе сжатия импульсов лежит понятие энергии. Длинный импульс снижает пиковую мощность передачи, сохраняя при этом ту же энергию импульса. После приема импульс сжимается с помощью согласованного корреляционного фильтра, что приводит к сокращению его длительности и увеличению пиковой мощности. РЛС, использующая сжатие импульсов, имеет и высокое разрешение по дальности, и высокую энергию излучения без увеличения пиковой мощности передатчика.
Для обеспечения возможности сжатия в приемнике с помощью согласованного фильтра излучаемый импульс модулируется тем или иным образом. Согласующий фильтр можно реализовать в цифровом виде с помощью функции взаимной корреляции, сравнивающей принятый импульс с переданным. Оцифрованный принятый сигнал периодически сдвигается по времени, подвергается преобразованию Фурье и умножается на сопряженное преобразование Фурье оцифрованного переданного сигнала.
Выходной сигнал коррелятора пропорционален корреляции двух сдвинутых по времени сигналов. При совмещении сигналов на выходе функции взаимной корреляции или согласующего фильтра появляется выброс. Этот выброс соответствует отраженному сигналу цели и в общем случае может быть в 1000 раз короче переданного импульса. Даже если несколько длинных передаваемых импульсов наложатся в приемнике друг на друга, после сжатия короткие импульсы окажутся разнесенными по времени и цели будут разделены.
Для достижения высокого коэффициента сжатия сигнала можно использовать разные способы его модуляции: линейную частотную модуляцию (ЛЧМ), двоичное кодирование фазы (например, кодами Баркера) или полифазное кодирование (например, кодами Костаса). На рис. 1 показаны диаграммы неопределенности, иллюстрирующие зависимость параметров разных методов сжатия от длительности импульса и допплеровского смещения частоты.
Рис. 1. Диаграммы неопределенности иллюстрируют зависимость точности определения положения от точности допплеровского смещения для разных типов радиолокационных импульсов*Под длительностью импульса на диаграммах неопределенности понимается длительность импульса на выходе детектора РЛС
Измерение характеристик импульсных РЛС
Для проектирования высокопроизводительных и недорогих РЛС нужно знать, как выполняются измерения ее характеристик и как измерительные приборы воспринимают ее сигналы. Наиболее важные измеряемые характеристики РЛС включают мощность, спектр, параметры импульса, усиление антенны, эффективную поверхность рассеяния цели (ЭПР), коэффициенты усиления и потери компонентов, коэффициент шума и фазовый шум. Уравнение дальности действия РЛС показывает, как ее основные параметры, указанные на рис. 2, непосредственно влияют на ее характеристики.
Рис. 2. Основные переменные уравнения дальности РЛС на примере передатчика и приемника гибридной аналого-цифровой РЛС
Для измерения мощности импульса, спектра и других характеристик можно использовать несколько типов оборудования, например, измерители мощности, анализаторы спектра и анализаторы сигналов. Поскольку каждый измерительный прибор имеет свои достоинства и недостатки, лучший выбор зависит от цели измерения и от ограничений, накладываемых на РЛС и контрольно-измерительное оборудование.
Недорогие решения для измерения параметров импульсов
Ваттметр является самым распространенным и недорогим решением для измерения мощности. Полнофункциональная модель может измерять среднюю мощность, пиковую мощность, скважность и различные статистические показатели. Ваттметры используют преобразователь, называемый датчиком мощности, который преобразует высокочастотную мощность в постоянное напряжение или низкочастотный сигнал, уровень которого можно измерить по отношению к опорному уровню ВЧ/СВЧ-мощности.
Самым недорогим прибором для измерения частотных и временных характеристик импульсного сигнала является частотомер. Функция стробирования по времени позволяет измерять статистические параметры ЛЧМ-сигналов. Добавление опционального третьего канала для измерения синусоидальных СВЧ-сигналов и подключение поддерживаемого измерителя и датчика мощности позволяет создать недорогое решение для измерения мощности импульсов.
Измерение мощности и спектра импульсов с помощью анализатора спектра или сигналов
Главное преимущество анализаторов спектра и сигналов заключается в их способности измерять частотный состав и мощность сигнала. Спектральная информация может выявлять проблемы, вызывающие неоптимальную работу РЛС, например, потерю мощности и излучение нежелательных сигналов. На рис. 3 видно, что спектр может дать информацию о длительности, периоде и скважности импульсов.
Рис. 3. Частотный спектр показывает полезную информацию об импульсом сигнале во временной области
Современные анализаторы спектра, такие как анализатор сигналов Keysight серии UXA (рис. 4) используют цифровое свипирование, что дает выигрыш по скорости, точности и фазовому шуму по сравнению с аналоговыми решениями. Анализаторы сигналов используют для расчета спектра аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и быстрое преобразование Фурье (БПФ). Основным преимуществом анализаторов сигналов на основе БПФ является скорость вычисления, особенно для внутриканальных измерений.
Рис. 4. Анализатор сигналов Keysight серии UXA
Благодаря улучшенным высокоскоростным АЦП и таким методам обработки, как подавление собственных шумов, динамический диапазон современных анализаторов сигналов приближается к динамическому диапазону панорамных анализаторов. Поскольку анализаторы сигналов рассчитывают фазовую информацию, они могут выполнять векторный анализ сигналов и демодуляцию сложных сигналов. Добавление измерительного ПО для анализа импульсов дополнительно упрощает и расширяет измерения сигналов РЛС.
Комплексные решения для анализа импульсов
Процесс анализа импульсов часто разбивается на три важных этапа: запуск, захват сигнала и измерение или анализ. Эти операции могут выполняться индивидуально отдельными приборами или одним анализатором сигналов. Первые этапы анализа импульса, т. е. поиск полезного сигнала и синхронизация измерений, могут оказаться весьма непростыми.
Обычно для анализа импульсов используют две разные аппаратные платформы: анализаторы сигналов с широкополосным цифровым трактом ПЧ и осциллографы или АЦП с достаточно высокой частотой дискретизации для непосредственной обработки ВЧ/СВЧ-сигналов. И хотя многие измерения анализаторов сигналов и осциллографов совпадают, лучший выбор входного интерфейса зачастую определяется двумя факторами: полосой пропускания и динамическим диапазоном. Высокоскоростные АЦП в ВЧ/СВЧ-осциллографах обеспечивают очень широкую полосу пропускания и высокую линейность фазы. В отличие от этого, более медленные АЦП и полосовые фильтры анализаторов сигналов обеспечивают более широкий динамический диапазон.
Практическим преимуществом анализаторов сигналов является то, что они могут поддерживать бесшовное переключение между измерениями панорамными, векторными и в режиме реального времени. Используя интеллектуальные внешние смесители, такой прибор — через один интерфейс пользователя — может поддерживать эти функции в широких полосах и на рабочих частотах до 110 ГГц.
Измерение ЭПР, характеристик антенны, компонентов и узлов
Коэффициент усиления антенны является ключевой переменной уравнения дальности РЛС и, следовательно, непосредственно влияет на характеристики всей системы. Другие важные параметры включают поляризацию, ширину луча, направление максимума диаграммы направленности и боковые лепестки. Векторный анализатор цепей (VNA) идеально подходит для выполнения этих измерений в различных ситуациях: в больших и малых конфигурациях дальнего поля или в планарных, цилиндрических или сферических конфигурациях ближнего поля.
Для мультиаппертурных антенн и фазированных антенных решеток ключевыми факторами, влияющими на выбор наилучшего измерительного решения, являются размер антенны и необходимое время измерения. Если число каналов невелико, то достаточным может оказаться решение на базе векторного анализатора цепей. Если же число каналов выражается двузначным числом, то более эффективным может оказаться многоканальное типовое решение на базе модульного измерительного оборудования.
Значение ЭПР непосредственно влияет на дальность действия РЛС. Измерение ЭПР порождает целый ряд проблем, связанных с малым уровнем сигнала, который требует применения очень чувствительных измерительных приемников со смесителями. Кроме того, для улучшения результатов измерения может понадобиться стробирование по времени, исключающее отражения от объектов в пределах измеряемого диапазона.
Компоненты сигнального тракта — фильтры, дуплексеры, циркуляторы — могут вносить потери, сильно влияющие на параметры системы. Такие искажения, как неравномерность фазы, неравномерность амплитуды и групповая задержка, тоже могут влиять на характеристики РЛС. Потери легко измеряются двухпортовыми измерителями мощности. Векторные анализаторы цепей предлагают широкий диапазон измерений непрерывных и импульсных сигналов, позволяя измерять детальные характеристики компонентов и узлов всего сигнального тракта внутри радиолокационной системы.
Коэффициент шума, уровень боковых лепестков и фазовый шум
Коэффициент шума, уровень боковых лепестков и фазовый шум являются важными характеристиками, сильно влияющими на параметры любой радиолокационной системы: коэффициент шума непосредственно влияет на характеристики приемника, уровень боковых лепестков влияет на пространственное разрешение, динамический диапазон и другие параметры, а фазовый шум порождает боковые полосы частот, снижающие отношение сигнал/шум (С/Ш). Эти измерения можно эффективно и точно выполнять с помощью специализированных решений или с помощью универсальных анализаторов, оснащенных специальными измерительными приложениями. В конечном итоге способность измерять, анализировать и понимать эти параметры радиолокационной системы позволяет улучшить пространственное разрешение, динамический диапазон, отношение сигнал/шум и многие другие характеристики.
18 июня, 2020
7 июля, 2020
7 июня, 2022
Создан уникальный по своим функциональным возможностям сумматор импульсов. Сумматор назван «парным» так как суммирует по амплитуде каждую поступающую на его вход пару импульсов, а уникальным — так как при суммировании амплитуд двух импульсов на его выходе появляется только единственный импульс с суммарной амплитудой. Уникальные возможности парного сумматора позволили сжимать не только импульсные последовательности, но и одиночные радио и видео импульсы и,тем самым, устранить недостатки простых сигналов и открыть путь к их полному использованию.