+7 (812) 670-9095
Обратная связьEnglish
Главная → Статьи → Радиолокация → Радиолокационные сигналы для аэрокосмических, оборонных и автомобильных РЛС
Полезный совет
Использование документа «Восстановление в должности» в 1С:ЗУП, ред 3.0Подробнее
Версия для печати

Радиолокационные сигналы для аэрокосмических, оборонных и автомобильных РЛС

15 марта 2018

Представляем перевод обзора радиолокационных сигналов, подготовленного экспертами Rohde&Schwarz. В статье подробно описываются различные РЛС (импульсного и непрерывного излучения), рассматривается будущее радиолокационных сигналов как для военного, так и коммерческого применения.

Автор: Стефен Хеюел (Steffen Heuel)




Данная статья содержит подробный обзор радиолокационных сигналов для аэрокосмических, оборонных и коммерческих РЛС, а также датчиков автомобильных систем безопасности. В статье описаны импульсные и импульсно-доплеровские сигналы, непрерывные сигналы и сигналы со сдвигом частоты.

Статья также показывает тенденции развития применения непрерывных радиосигналов, предназначенных для решения конкретных задач, и особенности применения РЛС непрерывного излучения в сравнение с импульсными РЛС.


Аннотация
История радиолокации началась более 100 лет назад, и сегодня радиолокация широко применяется как в военных, так и в коммерческих целях. Современные РЛС используют узкоспециализированные и инновационные технологии, чтобы отвечать постоянно растущим требованиям индустрии.

Чтобы соответствовать быстроразвивающимся РЛС и средствам РЭБ, также должны постоянно совершенствоваться и системы тестирования и измерений. Системы распознавания, наведения, управления и самозащиты становятся более сложными и интегрированными. Всё больше используются вычислительно сложные радиолокационные сигналы и сложная обработка этих сигналов, применяемая как высокотехнологичными цифровыми сигнальными процессорами (англ. Digital Signal Processors, DSP), так и при прямом цифровом синтезе (англ. Direct Digital Synthesis, DDS). Кроме того, активные фазированные антенные решётки (АФАР) ускоряют обработку сигналов за счёт обязательного формирования диаграммы направленности (ДНА).

Автомобили всё чаще оснащают радиолокационными системами, помогающими водителям в опасных ситуациях и снижающими количество ДТП (рисунок 1). РЛС позволяет быстро и точно измерять дальность, радиальную скорость и азимут нескольких объектов одновременно. Поэтому автомобильная индустрия всё чаще использует РЛС в современных системах помощи водителю (англ. Advanced Driver Assistance Systems, ADAS).

Рисунок 1. Автомобильные РЛС обеспечивают безопасность автомобиля.
Рисунок 1. Автомобильные РЛС обеспечивают безопасность автомобиля.


При разработке и запуске новой РЛС, наряду с выбором формы радиолокационного сигнала, не менее важную роль играют тестирование и точность измерений. Новые конструкции РЛС должны обеспечивать корректную работу всех аппаратных и программных компонентов во всех предусмотренных условиях эксплуатации. Из-за этого возникают особые требования к измерениям и задачи для измерительной аппаратуры. Поэтому принципиальное значение имеет техническое понимание структуры радиолокационных сигнала.

Для уменьшения неопределённости системы тестовые решения должны обладать высокой производительностью, точностью и соответствовать современным проектным требованиям.

В статье подробно описываются различные РЛС непрерывного излучения, рассматриваются будущие тренды развития радиолокационных сигналов и различные аспекты импульсных РЛС. В статье также рассматривается широкий спектр РЛС и радиолокационных сигналов как для военного, так и для коммерческого применения, а также для разработки будущих РЛС.


Радиолокационные сигналы
В общем случае РЛС позволяет измерять дальность, радиальную скорость и мощность отражённого сигнала всех объектов в зоне обзора. Определение этих характеристик для нескольких объектов одновременно представляет из себя сложную техническую задачу для проектирования РЛС, форм радиолокационных сигналов и процесса обработки сигналов.

Как для гражданских, так и для военных устройств требуются высокопроизводительные радиолокационные сигналы, гибкие в измерении и отслеживании нескольких целей. Однако каждая гражданская (адаптивный круиз-контроль, контроль мертвых зон, активные системы безопасности пешеходов [4]) и каждая военная (навигация, наблюдение, наведение ракет) система используется для выполнение конкретных задач. РЛС более универсальна за счёт предоставления разнообразных систем, целевых несущих частот, диапазона частот, длительности передачи сигнала, формы сигнала, антенн и многого другого.

Помимо измерения радиальной скорости и дальности, РЛС позволяют определить азимут и угол места. Последнее зависит в основном от конструкции антенны, а измерение дальности и радиальной скорости (включая их точность, разрешение и неопределенность) зависят от применяемой формы радиолокационного сигнала и параметров системы. Следующие главы описывают раздельное и одновременное измерение дальности и радиальной скорости при помощи различных импульсных и непрерывных РЛС и их комбинаций.

Тенденции развития в сфере радиоволн, движимые автомобильными РЛС, позволят проводить измерения дальности и радиальной скорости с более высокой точностью и за более короткое время. Эти тенденции также могут повлиять на аэрокосмические и оборонные РЛС.


Измерение дальности
Дальность измеряется с помощью закона о времени распространения сигнала τ между переданным и принятым сигналом. В этом разделе приводится дополнительная информация о некоторых формах радиолокационных сигналов, широко используемых в РЛС.

Импульсные РЛС
Форма сигнала для измерения дальности — это одиночный импульс, который передается РЛС, отражается от объекта и принимается обратно РЛС. Измеряя время распространения переданного сигнала τ, дальность R можно определить как уравнение 1, где с – скорость света.

Уравнение 1. Измерение дальности при помощи времени распространения сигнала.

Уравнение 1. Измерение дальности при помощи времени распространения сигнала.

Рисунок 2 показывает общий принцип работы импульсной РЛС, использующей длительность импульса Tp и период повторения импульсов Tr.

Рисунок 2. Принцип работы РЛС.
Рисунок 2. Принцип работы РЛС.


РЛС обладают следующими характеристиками для каждого измеряемого диапазона частот: разрешение, точность и неоднозначность. Разрешение по дальности ΔR – минимальная разность расстояний между двумя целями, при которой РЛС будет опознавать эти цели как отдельные. Если цели находятся на расстоянии меньшем, чем ΔR, РЛС не сможет их корректно распознать, так как отраженные от них сигналы накладываются друг на друга, как показано на рисунке 3.

Два принимаемых отраженных сигнала Pr1, Pr2 накладываются друг на друга, и РЛС распознает либо более сильный сигнал, либо комбинацию двух сигналов. Отраженные сигналы Pr3, Pr4 будут распознаны как две отдельные цели.

Рисунок 3. Разрешение по дальности.
Рисунок 3. Разрешение по дальности.


Разрешение по дальности зависит от длительности одиночного импульса Tp (уравнение 2). Системы с очень короткими импульсами имеют высокое разрешение по дальности, которое требует широкой полосы пропускания.

Уравнение 2. Разрешение по дальности.


Уравнение 2. Разрешение по дальности.

Точность измерения дальности зависит от отношения сигнал/шум отраженного сигнала, а однозначная дальность Rmax описывает максимальное расстояние, на котором РЛС может обнаружить объект. Если при последовательной передаче равнозначных сигналов, отраженные сигналы приходят вне соответствующего периода приема, их нельзя использовать для импульсной синхронизации. Максимальная однозначная дальность импульсной РЛС зависит от периода повторения импульсов Tr (уравнение 3).


Уравнение 3. Однозначная дальность.

Уравнение 3. Однозначная дальность.

РЛС со сжатием импульса

Помимо периода повторения импульсов, максимальная дальность РЛС зависит от средней мощности передачи. Используя заданную частоту повторения импульса (англ. Pulse Repetition Frequency, PRF), максимальную дальность можно увеличить за счет увеличения мощности передачи. Однако увеличение мощности передачи приводит к увеличению нагрузки на аппаратную часть. РЛС, передающие импульсы на высокой мощности, демаскируют свое местоположение. Альтернативой увеличению мощности является увеличение длительности импульса. Однако это приводит к уменьшению разрешения по дальности. Используя методы сжатия импульса, длительность импульса (а значит, среднюю мощность передачи и максимальную дальность) можно увеличить за счет использования преимуществ коротких импульсов и высокого разрешения [1].

Рисунок 4. Сжатие импульса.
Рисунок 4. Сжатие импульса.


Таким образом, сигнал с необходимой длительностью передачи формируется при помощи модуляции по частоте или фазе (сигнал с высокой пропускной способностью), как показано на рисунке 4. Автоматическое сжатие отраженного сигнала выполняет согласованный фильтр (англ. Matched Filter, MF). В случае, например, линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала, согласованный фильтр пропускает низкие частоты с меньшей скоростью, чем высокие. Это приводит к интерференции (сигналов) на выходе из фильтра и к увеличению отношения сигнал/шум (англ. Signal-to-Noise Ratio, SNR). Используя сжатие импульса, максимальную дальность можно увеличить за счет увеличения продолжительности передачи без изменения разрешения по дальности. Более того, РЛС со сжатием импульса более устойчивы к шумовым помехам благодаря тому, что согласованный фильтр увеличивает отношение сигнал/шум.


Таблица 1. Импульсные РЛС и РЛС со сжатием импульса.

Таблица 1. Импульсные РЛС и РЛС со сжатием импульса.


Неблагоприятные воздействия проявляются в увеличении мертвой зоны РЛС из-за слишком длинных импульсов, поскольку приемник РЛС выключен при передаче и отраженные сигналы от целей на малых расстояниях не распознаются. К тому же, боковые лепестки дальности/доплеровского смещения, сопутствующие сжатому сигналу на выходе из согласованного фильтра, могут скрывать отраженные сигналы с низкой мощностью или приводить к неоднозначности. Искажение временной задержки и доплеровской частоты отраженного сигнала описывается функцией неоднозначности, которая зависит от свойств импульса и согласованного фильтра.


Измерение радиальной скорости
Радиальная скорость обнаруженного объекта измеряется при помощи доплеровской частоты. Этот раздел более подробно описывает РЛС непрерывного излучения и импульсно-доплеровские РЛС, а также разрешение и возможную неоднозначность измерений.

РЛС непрерывного излучения (CW)
Использование РЛС непрерывного излучения (англ.Continuous Wave Radar, CW-Radar) позволяет мгновенно измерить доплеровский сдвиг частоты при помощи преобразования с понижением частоты и преобразования Фурье [6]. В то время как одночастотный непрерывный сигнал передается движущемуся объекту, принимаемый сигнал смещается доплеровской частотой fD пропорционально относительной радиальной скорости объекта (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Одночастотная РЛС непрерывного излучения.
Рисунок 5. Одночастотная РЛС непрерывного излучения.


Доплеровская частота fD – измеряемая величина и определяет относительную радиальную скорость vr как функцию длины волны λ, описанную в уравнении 4.

Уравнение 4. Доплеровская частота определяет относительную радиальную скорость.


Уравнение 4. Доплеровская частота определяет относительную радиальную скорость.

Разрешение по скорости описывает наименьшую разность между двумя различимыми значениями измерений и зависит от продолжительности измерения TCPI. В РЛС непрерывного излучения продолжительность измерения может быть неограниченной, что теоретически приводит к неограниченному разрешению. В случае ограниченной продолжительности измерения TCPI, разрешение по скорости определяется уравнением 5.

Уравнение 5. Разрешение по скорости.


Уравнение 5. Разрешение по скорости.

РЛС непрерывного излучения передаёт и принимает сигналы постоянно и не предоставляет информации о дальности. Главное преимущество РЛС непрерывного излучения заключается в однозначном измерении доплеровской частоты и отсутствии явления «слепой скорости» (см. импульсно-доплеровская РЛС), т.к. максимальная доплеровская частота в РЛС непрерывного излучения не ограничена.

(Слепая скорость – радиальная скорость перемещения объекта РЛ наблюдения, при которой доплеровский сдвиг частоты отраженного от объекта сигнала равен или кратен частоте повторения излучаемых импульсов, что делает невозможным измерение скорости объекта).

РЛС непрерывного излучения часто используется военными для подсветки целей. Благодаря постоянной передаче на низкой мощности, РЛС непрерывного излучения сложнее обнаружить по сравнению с импульсными РЛС, из-за чего их часто относят к РЛС повышенной скрытности.


Импульсно-доплеровские РЛС.
Радиальную скорость также можно измерить при помощи передачи последовательных импульсов [Lud08]. Таким образом, когерентный передатчик и приёмник используются в случаях, когда изменения фазы в межимпульсных интервалах содержат доплеровскую частоту. Дальность всё также измеряется через время распространения сигнала. При измерении как дальности, так и радиальной скорости, частота повторения fPRF играет важную роль. Таким образом, импульсно-доплеровская РЛС главным образом характеризуется частотой повторения импульсов fPRF. Различают РЛС с низкой (Low PRF, LPRF), средней (Medium PRF, MPRF) и высокой (High PRF, HPRF) частотой повторения импульсов (ЧПИ, англ. Pulse Repetition Frequency, PRF).

Как показано в уравнении 6, однозначная дальность зависит от интервала повторения импульсов, а значит, и от частоты повторения импульсов (частоты, на которой происходит повторение импульсов). РЛС с LPRF используются на дальних расстояниях из-за большой однозначной дальности, а РЛС с HPRF применяют для наблюдения на коротких расстояниях из-за неоднозначности при измерениях.

Однозначная радиальная скорость также определяется интервалом повторения импульсов Tr. Доплеровская частота восстанавливается из последовательных импульсов, следовательно, частота дискретизации как минимум вдвое больше максимальной доплеровской частоты fD,max. Отсюда fPRF>2fD,max, из чего вытекает уравнение 6.


Уравнение 6. Однозначная радиальная скорость.

Уравнение 6. Однозначная радиальная скорость.

РЛС с LPRF имеют малый однозначный интервал радиальной скорости и большой однозначный интервал дальности, а РЛС с HPRF, напротив, обладают большим однозначными интервалом радиальной скорости и малым однозначным интервалом дальности. Это противоречие между неоднозначностями дальности и радиальной скорости называется доплеровской дилеммой. Чтобы решить эту дилемму, импульсно-доплеровские РЛС обычно меняют интервал повторения импульсов в процессе работы в зависимости от текущей ситуации.

Импульсно-доплеровские РЛС используются для измерения дальности и радиальной скорости. Однако, в зависимости от ширины импульса, оба значения можно измерить либо одновременно, либо по отдельности. В случае если можно измерить доплеровскую частоту, она должна быть настолько высокой, чтобы её можно было восстановить из одного отражённого импульса, следовательно, импульс должен обладать большой шириной. В случае коротких импульсов и низкой доплеровской частоты, необходимо принять последовательные отражённые сигналы. В зависимости от применения, может потребоваться одновременное измерение обоих значений, что является одной из причин для разработки более сложных сигналов.


Одновременное измерение дальности и радиальной скорости
Специфическая задача РЛС — одновременное измерение дальности и радиальной скорости одного объекта за один цикл измерений. Дальность измеряется за счёт передачи и приёма одного импульса. Радиальная скорость измеряется при помощи РЛС непрерывной волны или импульсно-доплеровской РЛС. Однако импульсно-доплеровская РЛС выполняет несколько циклов передачи и приёма для измерения доплеровской частоты при помощи изменения фазы отражённых сигналов РЛС.

Для измерения радиальной скорости за один цикл измерений используются такие формы сигналов, как непрерывный линейный частотно-модулированный сигнал (англ. Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW), частотная манипуляция (англ. Frequency Shift Keying, FSK), многопозиционная частотная манипуляция (англ. Multiple Frequency Shift Keying, MFSK) и линейная частотная модуляция (англ. Chirp Sequence, CS). Будущие тенденции, в которых ЛЧМ-сигналы объединены с другими формами сигналов, кратко рассмотрены ниже. Каждый сигнал имеет свои особенности и показывает ход развития и важность радиолокационных сигналов на протяжении последних лет.



РЛС непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (LFMCW)
Используя РЛС непрерывного излучения с линейной частотой модуляции (англ. Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW) [6], частотно-модулированный сигнал с пропускной способностью fsweep передаётся за время измерения TCPI (см. рисунок 6).

Рисунок 6. LFMCW РЛС с повышением и понижением частоты.
Рисунок 6. LFMCW РЛС с повышением и понижением частоты.


Оба параметра, дальность R и радиальная скорость vr. влияют на смещение измеряемой частоты, называемой частотой биения fB. Таким образом, частота биения состоит из доплеровской частоты fD и сдвига частоты, вызванного временем распространения сигнала fτ (см. уравнение 7).


Уравнение 7. Частота биения.

Уравнение 7. Частота биения.

На рисунке 6 изображены два ЛЧМ-сигнала. Принимаемый отраженный сигнал содержит время распространения и смещение доплеровской частоты. Для статичной цели время распространения fτ определяется при помощи применения теоремы Фалеса (см. рисунок 7) к первому переданному сигналу с fB = fB1, показанному на рисунке 6.

РЛС непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (LFMCW)
определяет смещение частоты, вызванное распространением
РЛС непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией (LFMCW)
для статичной цели.

В случае двигающейся цели, доплеровская частота fD также влияет на частоту биения fB. Подставляя fτ и fD в уравнение 7, получим уравнение 8.

Уравнение 8. Частота биения, заданная радиальной скоростью и дальностью.

Уравнение 8. Частота биения, заданная радиальной скоростью и дальностью.

Чтобы однозначно решить уравнение 8, необходимо знать vr и R частоты биения, как показано на рисунке 6, где частоты биения обозначены как fB1 и fB2. Два уравнения с двумя неизвестными можно однозначно решить относительно vr и R в случае одной цели (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Пересечение отраженных сигналов с повышением и понижением частоты.
Рисунок 7. Пересечение отраженных сигналов с повышением и понижением частоты.


В случае множественных целей невозможно однозначно получить дальность и радиальную скорость при помощи двух последовательных ЛЧМ-сигналов, измеряющих различные частоты биения. Это приводит к появлению ложных целей, избежать которых можно за счёт использования дополнительных ЛЧМ-сигналов, передаваемых LFMCW РЛС.


РЛС с частотной манипуляцией (FSK)
РЛС с частотной манипуляцией (англ. Frequency Shift Keying, FSK) [3] основываются на РЛС непрерывного излучения, но передают два или более изменяемых немодулированных сигнала на различных несущих частотах с разностью частот fshift (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Частотная модуляция.
Рисунок 8. Частотная модуляция.


Два передаваемых сигнала создают два отражённых сигнала, каждый их которых имеет свой сдвиг доплеровской частоты fD1, fD2. Так как несущие частоты fA1 и fA2 высоки по сравнению доплеровскими частотами, обе частоты практически равны и представляют частоту биения fB, с помощью которой определяется радиальная скорость (см. уравнение 9).


Уравнение 9.
Уравнение 9.

Частота биения не влияет на время распространения, а значит, информация о дальности отсутствует. Однако дальность можно определить при помощи информации о фазе между двумя принятыми отраженными сигналами, несущими Δφ=φA1A2 (см. уравнение 10).


Уравнение 10.
Уравнение 10.

Фазовые измерения однозначны на интервале [0;…;2π]. Это позволяет получить однозначную дальность, которая зависит только от fshift (см. уравнение 11).


Уравнение 11.
Уравнение 11.

FSK РЛС позволяет получать доплеровскую частоту и диапазон измерений. Разрешение по дальности отсутствует, что приводит к тому, что цели с одинаковой радиальной скоростью, но с разными дальностями (например, статичные цели) имеют одинаковую доплеровскую частоту и не могут быть распознаны. В зависимости от смещения частоты между передаваемыми сигналами можно получить очень большую однозначную дальность.


РЛС с многопозиционной частотной модуляцией (MFSK)

Во многих случаях применения РЛС важно одновременное измерение дальности и радиальной скорости объекта. РЛС с LFMCW и FSK удовлетворяют этому требованию. Однако LFMCW требуется несколько циклов измерений и математические алгоритмы для решения неопределенности, а FSK не обладает достаточным разрешением по дальности. Таким образом, Мейнеке [1] объединил LFMCW и FSK в один сигнал Multiple Frequency-Shift Keying (MFSK), сигнал с использованием многопозиционной частотной модуляции. MFSK был разработан специально для применения в автомобильной сфере и состоял из двух или более частот передачи fA1 и fA2 со смещением частоты fshift, шириной полосы частот fsweep и длительностью TCPI (см. рисунок 9)

Рисунок 9. Многопозиционная частотная модуляция.
Рисунок 9. Многопозиционная частотная модуляция.



Каждый из двух отраженных сигналов вызывает смещения доплеровской частоты и задержку времени в принимаемом сигнале. Производится преобразование Фурье и преобразование с понижением текущей несущей частоты обоих сигналов. Как и в LFMCW, частота биения fB содержит дальность и радиальную скорость. Как и в FSK, разность фаз между переплетенными сигналами в позиции биения может быть измерена, и она также содержит дальность и радиальную скорость. Оба значения используются для однозначного решения уравнения 12 и уравнения 13 для множественных целей за один цикл измерений относительно R и vr.


Уравнение 12. Частота биения.

Уравнение 12. Частота биения.

Уравнение 13. Разность фаз между двумя принимаемыми сигналами.

Уравнение 13. Разность фаз между двумя принимаемыми сигналами.

Как и в импульсных РЛС, разрешение по дальности зависит от ширины полосы fsweep. Разрешение по радиальной скорости определяется когерентным интервалом вычислений TCPI, как в РЛС непрерывного излучения.


РЛС с линейной частотной модуляцией (CS)

MFSK сигналы используют измерения частоты и фаз, чтобы однозначно определить дальность и радиальную скорость. При использовании MFSK оценка дальности и радиальной скорости для отражённых сигналов с низким соотношением сигнал/шум менее точна, чем при LFMCW, так как задействованы фазовые измерения. Решением является передача MFSK ЛЧМ-сигналов с положительным и отрицательным наклоном, решение неоднозначностей по фазовым и частотным измерениям первого ЛЧМ-сигнала и исправление полученных результатов при помощи объединения первого и второго измерения частоты биения, используя отражённые сигналы пониженной частоты, как LFMCW в случае множественных целей.

Другим решением являются LFMCW-сигналы с очень быстрыми последовательными импульсами [5]. Такая форма сигнала называется линейной частотной модуляцией (англ. Chirp Sequence, CS) и состоит из нескольких очень быстрых ЛЧМ-сигналов. Каждый такой сигнал имеет длительность Tchirp и передаётся за время TCPI (см. рисунок 10). Так как одиночный ЛЧМ-сигнал очень короткий, частота биения fB в основном зависит от времени распространения сигнала, а смещением доплеровской частоты fD можно пренебречь.

Рисунок 10. Линейная частотная модуляция.
Рисунок 10. Линейная частотная модуляция.


Обработка сигнала следует простому принципу с начальным преобразованием с понижением текущей несущей частоты и преобразованием Фурье каждого ЛЧМ-сигнала. Частота биения главным образом определена дальностью. Таким образом, предполагая, что радиальная скорость

радиальная скорость

дальность цели R вычисляется как в LFMCW, при помощи
, дальность цели R вычисляется как в LFMCW

Радиальная скорость измеряется не во время передачи одного ЛЧМ-сигнала, а за время передачи последовательного блока ЛЧМ-сигналов с длительностью передачи TCPI. Второе преобразование Фурье выполняется вдоль оси времени, которая содержит смещение доплеровской частоты fD. После получения смещения доплеровской частоты мы получаем достоверную радиальную скорость, а дальность корректируется при помощи уравнения 8.

Разрешение по радиальной скорости зависит от когерентного интервала вычисления TCPI, как показано в уравнении 5. Однозначность радиальной скорости, обусловленная выборкой, находится на интервале

РЛС с линейной частотной модуляцией (CS)
(см. уравнение 6).

Будущие тенденции радиосигналов

До сих пор растущий спрос на РЛС повышенной дальности действия и точности измерений радиальной скорости для одновременного высокоточного сопровождения нескольких объектов удовлетворялся комбинацией различных сигналов.

Примером служит успех сигнала MFSK (Multiple Frequency-Shift Keying — многопозиционная частотная модуляция), в котором используются FSK (Frequency-Shift Keying – частотная модуляция) и LFMCW (Linear Frequency Modulated Continuous Wave — непрерывная линейно-частотная модуляция) для определения дальности и радиальной скорости за один цикл измерений. MFSK использует дополнительную разность фаз, чтобы компенсировать недостатки LFMCW, устраняемые путём использования нескольких последовательных ЛЧМ-сигналов с различными наклонами, и одновременно определить оба параметра объекта. Некоторые РЛС используют MFSK с положительным и отрицательным наклоном, избавляются от неоднозначности, вызванной измерениями фазы и частоты сигнала MFSK, и повышают точность измерений, комбинируя измерения частоты последовательных ЛЧМ-сигналов (как в LFMCW-сигнале).

Другие РЛС, чтобы точно определить дальность и радиальную скорость за один цикл измерений, используют CS-сигналы, так как требуется измерить только частоты. Однако высокое разрешение страдает от неоднозначности. Чтобы увеличить однозначную дальность, CS-сигналы можно использовать с другими сигналами. Чтобы расширить интервал однозначного определения радиальной скорости, можно использовать различную длину последовательных интервалов обработки TCPI. Передача трёх последовательностей с различными TCPI может многократно увеличить максимальную радиальную скорость.

Кроме того, в РЛС можно использовать коммуникационные сигналы (например, OFDM, используемое в LTE). Преимущество использования таких сигналов в том, что и коммуникационные, и радиолокационные задачи будут выполнятся аналогичным оборудованием. Отличаться будет только обработка сигналов. Использование таких сигналов в устройствах аэрокосмической, военной и коммерческой сферы будет выгодно с точки зрения стоимости и объема производств устройств.

Эти примеры позволяют оценить уже существующие разработки, а также те разработки, которые можно будет получить за счёт объединения различных радиолокационных сигналов в виде некоторых видов «гибридных радиолокационных сигналов» или даже использования сигналов, которые применяются в системах связи.


Сложный выбор

Линейные частотно-модулированные РЛС непрерывного излучения и импульсно-доплеровские РЛС подчиняются одним и тем же законам физики. Помимо возможности одновременного измерения дальности и радиальной скорости за один цикл измерений, эти сигналы представляют интерес в связи с низкой излучаемой мощностью и потенциальным упрощением аппаратной части. В дополнение, требуемая ширина полосы частот импульсно-доплеровской РЛС обратно пропорциональна ширине импульса, вследствие чего, LFMCW РЛС требует гораздо меньшей полосы частот аналогового сигнала. По вышеуказанным причинам РЛС непрерывного излучения часто используются в мобильных/полумобильных военных устройствах с максимальной дальностью действия до десятков километров или в автомобильных РЛС, в которых важную роль играет одновременное быстрое и точное измерение параметров нескольких объектов.

Импульсно-доплеровские РЛС используют индикатор движущихся целей (англ. Moving Target Indicator, MTI), чтобы отфильтровывать медленно двигающиеся объекты и снизить вероятность ложных срабатываний, провоцируемых деревьями или кустами. Эти объекты могут иметь определенную доплеровскую частоту в ветренную погоду. Однако, при использовании такого ограничения, объекты, двигающиеся по касательной или ниже ограничения, могут перемещаться в зоне наблюдения необнаруженными. LFMCW не подвержено проблемам измерений слепых зон или слепой скорости.

С другой стороны, импульсно-доплеровская РЛС может работать на значительных расстояниях благодаря подавлению помех и переключаться между передачей и приемом, а значит осуществлять высокомощную передачу при помощи магнетронов. В LFMCW РЛС приём и передача должны быть изолированы друг от друга при передаче мощностью несколько ватт при помощи твердотельных усилителей. Это обеспечивает гибкость электропитания, мобильности и монтажа. Кроме того, люди, находящиеся вблизи антенны, меньше подвержены риску. Однако для справедливого сравнения необходимо учесть мощность передачи.

На близком расстоянии важны и время переключения с передачи на приём, и малая длина импульсов, которые требуют широкой полосы пропускания частот. LFMCW РЛС не имеют минимальной дальности обнаружения, т.к. приёмник всегда включен. Ширина полосы частот лишь определяет разрешение по дальности и влияет на энергию помех приемника. Однако, при использовании меньшей ширины полосы частот, энергия помех приемника становится достаточно маленькой для обнаружения цели.

В зависимости от применения, частотно-модулированные РЛС непрерывного излучения (FMCW) имеют преимущество перед импульсно-допплеровскими РЛС. Большинство импульсно-доплеровских РЛС, используемых для обширного наблюдения, являются производными от военных РЛС. С другой стороны, новое поколение портативных, мобильных и полумобильных LFMCW РЛС развивается в сторону обширного наблюдения, безопасности объектов и боевого охранения. Такие РЛС мгновенно включаются, не имеют периода ожидания и способны обнаруживать, отслеживать и классифицировать большое количество различных типов целей, измеряя их скорость, углы, дальность и применяя алгоритмы классификации, чтобы определить их тип по паттерну отраженного сигнала. Существует множество различий и сходств между развитой импульсно-доплеровской РЛС и LFMCW-системой, но развитие последней только началось.


Список литературы
  1. LUDLOFF, Albrecht K.: Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg+Teubner Verlag; Version 4., October 2009, ISBN - 9783834805973
  2. MEINECKE, Marc-Michael: Zum optimierten Sendesignalentwurf für Automobilradare, Shaker Verlag GmbH, August 2001. – ISBN 9783826592232
  3. ROHLING, Hermann; MOELLER, Christof: Radar waveform for automotive radar systems and applications, Radar Conference, 2008. RADAR '08. IEEE, vol., no., pp.1,4, 26-30 May 2008
  4. ROHLING, Hermann; MEINECKE, Marc-Michael; HEUEL, Steffen; HAEKLI, Janne; NUMMILA, Kaj; HEUER, Michael: Objectives of the ARTRAC initiative in active pedestrian safety, Radar Symposium (IRS), 2013 14th International, vol.2, no., pp.726,731, 19-21 June 2013
  5. SCHROEDER, Christoph: System Design of an Array Antenna Radar with a Rapid Chirp Waveform, Shaker Verlag GmbH, Germany; March 2013. ISBN - 9783844016666
  6. SKOLNIK, Merrill I.: Introduction of Radar Systems, McGraw-Hill Inc., ISBN - 978007118189, 1962
  7. BUES, Roland; MINIHOLD, Roland: Overview of Tests on Radar Systems and Components, Rohde & Schwarz Application Note Nr. 1MA127_2e, 2012
  8. MINIHOLD, Roland; BUES, Dieter: Introduction to Radar system and Component Tests, Rohde & Schwarz White Paper Nr. 1MA207-1e, 2013

Источник: https://www.rohde-schwarz.com/ru/applications/white-paper_230854-50249.html



Теги: сложные радиолокационные сигналы, РЛС непрерывного излучения, импульсные РЛС, импульсно-доплеровские РЛС, FMCW radar