Podstawowe metody radiowykrywania aktywnego

W technice radiolokacji można wyróżnić dwie podstawowe metody radiowykrywania aktywnego:

Radary pracujące wg tych metod to, odpowiednio, radar promieniowania ciągłego i radar impulsowy.

Sygnał ciągły

Ponieważ radar promieniowania ciągłego odbiera sygnały echa w czasie nadawania, wykrywa on cele na podstawie detekcji zmiany częstotliwości nośnej odbieranego sygnału, spowodowanej ich ruchem (efekt Dopplera). Prosty radar promieniowania ciągłego (w nomenklaturze angielskiej CW radar, czyli Continuous Wave radar) może wykrywać cele, może mierzyć ich prędkość promieniową, wyróżnia cele ruchome likwidując zobrazowanie obiektów nieruchomych (ląd, morze, chmury, itp.), nie potrafi natomiast określać odległości wykrytych celów. Aby umożliwić pomiar odległości, stosuje się modulację fazy lub częstotliwości sygnału sondującego. Przykładami zastosowań tego rodzaju radaru w lotnictwie są samolotowy radiowysokościomierz pokładowy mierzący wysokość rzeczywistą statku powietrznego oraz dopplerowski radar nawigacyjny, a „nie-lotniczymi” przykładami - polskiej konstrukcji „ciche” radary morskie typu CRM-100 i CRM-200 oraz policyjne radary do pomiaru prędkości pojazdów.

W radarach promieniowania ciągłego, ze względu na stałą obecność silnego bezpośredniego sygnału nadajnika, pojawia się problem interferencji sygnałów echa z sygnałem sondującym. Można go rozwiązać, np. w radarach nawigacyjnych dopplerowskie przesunięcie częstotliwości zapewnia dostateczną separację, w radiowysokościomierzach separację między sygnałami zapewnia wprowadzenie modulacji częstotliwości sygnału nadajnika, co zresztą jest podstawą działania tego urządzenia, natomiast pozostaje problem szkodliwego szumu generowanego przez nadajnik, którego widmo jest bardzo szerokie i maskuje słabe sygnały echa.

Oczywiście metoda promieniowania ciągłego ma swoje zalety: prostota, wąskopasmowość i związana z tym duża czułość układu odbiorczego, możliwość wykrywania obiektów ruchomych i określania ich prędkości promieniowych oraz możliwość eliminacji zakłóceń pochodzących od obiektów stałych. Niewielkie moce nadajników radaru, rzędu pojedynczych watów, a nawet miliwatów, utrudniają wykrycie radaru przez wroga, stąd nazwa „radar cichy” lub LPI (Low Probability of Intercept – o małym prawdopodobieństwie przechwycenia).

Konieczność izolowania odbiornika, czyli min. stosowania oddzielnych anten nadawczej i odbiorczej, niemożność pomiaru odległości bez stosowania dodatkowej modulacji sygnału sondującego, brak możliwości określenia czy obiekt zbliża się, czy oddala oraz trudności w jednoczesnym wykrywaniu wielu obiektów jednocześnie spowodowały, że zakres zastosowań metody promieniowania ciągłego jest dość ograniczony.

Sygnał impulsowy

Metoda promieniowania impulsowego, ze względu na swe zalety, znalazła wiele zastosowań zarówno cywilnych, jak również wojskowych. Można przyjąć tezę, że jest to metoda wiodąca w radiolokacji. Wymienione wyżej problemy z sygnałami tutaj nie istnieją, ponieważ ich nadawanie i odbiór nie odbywa się w tym samym czasie. Pomiar odległości jest prosty, polega mianowicie na pomiarze czasu opóźnienia impulsu echa względem impulsu sondującego.

sygnał impulsowy

Typowy radar impulsowy wytwarza sygnał sondujący w kształcie ciągu impulsów o bardzo wysokiej częstotliwości i kształcie prostokątnym. W przykładzie pokazanym na rysunku moc szczytowa impulsu Pt = 1 MW, czas trwania impulsu (potocznie zwany szerokością lub długością impulsu) τ = 1 μs, a okres powtarzania impulsów Tp = 1 ms. Parametry te nie odnoszą się do żadnego konkretnego typu radaru, ale są typowe dla radarów obserwacyjnych średniego zasięgu. Częstotliwość powtarzania impulsów fp = 1000 Hz, co zapewnia maksymalną jednoznacznie mierzoną odległość 150 km. Moc średnia sygnału Pav jest równa

równanie 7

W tym konkretnym przykładzie moc średnia wynosi 106• 10-6/10-3= 1 kW.

Współczynnik wypełnienia kw sygnału radiolokacyjnego (w języku angielskim trafnie nazwany „duty cycle”), zdefiniowany jako stosunek czasu, w którym radar promieniuje, do całkowitego czasu, w którym mógłby promieniować w każdym okresie powtarzania, równa się

równanie 8

i jest oczywiście równy stosunkowi mocy średniej do mocy szczytowej (lub mocy impulsowej) sygnału. W tym przypadku jego wartość wynosi 0,001. Energia impulsu W jest iloczynem jego mocy szczytowej i czasu trwania

równanie 9

i wynosi 1 dżul (J).

Ponieważ typowy radar jest w stanie wykrywać sygnały echa o mocy 10-12 W, to moc takich sygnałów jest mniejsza od mocy sygnału sondującego o 180 dB.

Krótkotrwały sygnał impulsowy jest pożądany w radiolokacji, ponieważ silny sygnał sondujący nie jest generowany i emitowany w przestrzeń w czasie, kiedy odbierane są bardzo słabe sygnały echa, zapewnione są również duża dokładność pomiaru odległości oraz dobra rozróżnialność w odległości, ale energia sygnału maleje ze skracaniem impulsów, a to z kolei ma ujemny wpływ na zasięg wykrywania celów.

Przy czasie trwania impulsu τ = 1μs, przyjmuje on w przestrzeni długość cτ = 300 m (c – prędkość propagacji fal elektromagnetycznych). Dwa punktowe cele, np. samoloty, będzie można rozróżnić w odległości, jeżeli będą oddalone od siebie przynajmniej o połowę tej wartości, czyli cτ/2 = 150 m. Wynika to z faktu, że sygnał pokonuje drogę w dwóch kierunkach, tzn. od radaru do celu i z powrotem. Wniosek: czym krótsze impulsy sondujące, tym lepsza rozróżnialność w odległości.

Długie i bardzo długie impulsy stosowane są w radarach dalekiego zasięgu, ponieważ do wykrycia odległych celów (bardzo mały poziom mocy sygnałów echa), niezbędne jest zapewnienie dużej energii impulsów. Pogarsza to oczywiście rozróżnialność odległościową i konieczne staje się stosowanie sygnałów o bardziej złożonej strukturze oraz kompresji impulsów echa.

Podstawowe parametry opisujące impulsowy sygnał sondujący radaru to: