Кіріспе
Радар жүйесінің түрі
Импульстік доплерлік радар – импульстік уақыт техникасын пайдалана отырып нысанаға дейінгі арақашықтықты анықтайтын және мақсатты объектінің жылдамдығын анықтау үшін қайтарылған сигналдың Доплер эффектісін қолданатын радар жүйесі. Ол электрониканың күрделілігіне байланысты бұрын бөлек болған импульстік және үздіксіз толқындық радарлардың мүмкіндіктерін біріктіреді. Бірінші қолданысқа енгізілген импульстік доплерлік радар – американдық ұзақ қашықтықтағы, соғыс реактивті қозғалтқыштарымен жұмыс істейтін және W40 ядролық қарумен жарақталған CIM 10 Bomarc зымырандық кешені болды. Ол қарсы шабуылдаушы ұшақтардың толық құрамын жоюға арналған. Импульстік доплерлік жүйелер алғаш рет 1960 жылдары әскери ұшақтарда кеңінен қолданылды. Бұрынғы радарлар нысананың арақашықтығын және антеннаның бұрышын (немесе осыған ұқсас тәсілдерді) анықтау үшін импульстік уақыт өлшеуді пайдаланған. Алайда, бұл тек радиолокациялық антенна төменге бағытталмаған кезде ғана жұмыс істеді; мұндай жағдайда жерден шағылысқан сигнал басқа нысаналардан алынған сигналдарды басып тастады. Жер ұшақтың жылдамдығымен, бірақ қарама-қарсы бағытта қозғалғандықтан, Доплер техникасы жерден шағылысқан сигналды сүзуге мүмкіндік береді, соның нәтижесінде ұшақтар мен көліктер анықталады. Бұл импульстік доплерлік радарларға "төмен қарап, ату" мүмкіндігін береді. Әскери радардағы қосымша артықшылық – жасырын радарлардың қауіпсіздігін арттыру үшін жеткілікті өнімділікке қол жеткізумен бірге берілетін қуатты азайту болып табылады. Импульстік доплерлік техникалар метеорологиялық радарларда да кеңінен қолданылады, бұл радарға ауадағы жауын-шашынның жылдамдығы бойынша желдің жылдамдығын анықтауға мүмкіндік береді. Импульстік доплерлік радар сонымен қатар радар астрономиясында, қашықтан зондтау және карта жасауда қолданылатын синтетикалық апертуралық радардың негізі болып табылады. Әуе қозғалысын басқаруда олар ұшақтарды ығы-зығыдан ажырату үшін қолданылады. Жоғарыда аталған дәстүрлі бақылау қолданбаларынан басқа, импульстік доплерлік радар денсаулық сақтау саласында, мысалы, құлау қаупін бағалау және құлауды анықтау үшін, медбикелік немесе клиникалық мақсаттарда сәтті қолданылған.
Тарих
Алғашқы радар жүйелері күтілгендей жұмыс істемеді. Бұның себебі Доплер эффектісіне байланысты болды, ол қозғалатын нысандарды ескере алмай жасалған жүйелердің тиімділігін төмендетеді. Жылдам қозғалатын нысандар берілетін импульстің фазалық ығысуына себеп болады, бұл сигналдың жойылуына әкелуі мүмкін. Доплер эффектісі қозғалатын нысандарды анықтау жүйелеріне ең көп зиян тигізеді, олар детекторда Доплерді өтеу үшін кері фазалық ығысуды пайдалануы керек. Доплердің ауа-райы әсері (жауын-шашын) дәстүрлі радарлар мен қозғалатын нысандарды анықтау радарларының жұмысын нашарлатады, бұл ұшақтардың сигналын жасыра алады. Бұл құбылыс 1950 жылдары Екінші дүниежүзілік соғыс кезіндегі кейбір жүйелердің құпиясы алынғаннан кейін ауа-райы радарларында қолдануға бейімделді. Импульстік Доплер радары импульстің қайталану жиілігін арттыру арқылы шектеулерді жеңу үшін Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалды. Бұл үшін клистрон, толқындық түтік және жартылай өткізгіш құрылғылардың дамуы қажет болды. Алғашқы импульстік Доплер радарлары когерентті емес, жоғары қуатты микротолқынды күшейткіштермен үйлесімсіз болды, бірақ қайтарылған эхомен салыстыру үшін әрбір берілген импульстің фазасын тіркеп алатын жетілдірілген техникалар әзірленді. Әскери жүйелердің алғашқы мысалдарының бірі – 1950 жылдары дауылды ауа райында өнімділігі төмендемей жұмыс істеу үшін жасалған AN/SPG 51B. Hughes AN/ASG 18 өртті басқару жүйесі АҚШ Әуе күштері үшін жоспарланған Солтүстік Америка XF 108 Rapier ұшағы үшін, содан кейін Lockheed YF 12 үшін жасалған әуедегі радар/комбинациялық жүйенің прототипі болды. АҚШ-тың алғашқы импульстік Доплер радары төмен қарап, атып түсіру қабілетіне ие болды және бір уақытта бір нысанды қадағалай алды. Цифрлық компьютерлер жобаға енгізілгеннен кейін ғана ұшақтарда импульстік Доплер радарларын пайдалану мүмкін болды. Импульстік Доплер 1970 жылдардың ортасына қарай көптеген қазіргі заманғы әскери ұшақтарда әуеден әуеге зымыран жүйелерін қолдау үшін төмен қарап, атып түсіру қабілетін қамтамасыз етті.
Қашықтықты өлшеу
Импульстік доплер жүйелері радио энергия импульсін жіберу мен нысаннан келетін шағылысуды қабылдау арасындағы өткен уақытты өлшеу арқылы нысандарға дейінгі арақашықтықты анықтайды. Радио толқындары жарық жылдамдығымен қозғалатындықтан, нысанға дейінгі қашықтық – өткен уақытты жарық жылдамдығына көбейтіп, екіге бөлу арқылы есептеледі (бар-қайту қашықтығы).
Артықшылықтары
Ұшақтарды импульстік доплерлік анықтау жүйелерінде лақтыру жылдамдығы таңдалады, сондықтан осы жылдамдықтан төмен ештеңе анықталмайды. Бір градус бұрылысты антенна сәулесі 10 миль (16 км) қашықтықтағы миллиондаған шаршы фут жерді жарықтандырады, ал Доплер қолданылмаса, көкжиекте немесе одан төмен мыңдаған анықтамалар пайда болады. Импульстік доплерлік радар баяу қозғалатын объектілерден келетін қажетсіз сигналдарды жою үшін келесі сигналды өңдеу шарттарын қолданады. Бұл құбылыс келесін қабылдамау деп те аталады. Лақтыру жылдамдығы әдетте басым жел жылдамдығынан сәл жоғары орнатылады. Әуедегі импульстік доплерлік радарда жылдамдық шегі ұшақтың жерге қатысты жылдамдығымен өтелуі мүмкін. Антенна орналасуы мен ұшақтың ұшу бағыты арасындағы бұрыштың өзгеруі қандай? Жер бетінен шағылысқан сигналдар дерлік барлық радарларда кездеседі. Жердегі кедергі әдетте жерде орналасқан радарларға жақын 25 миль (40 км) радиустағы шеңберлі аймақта пайда болады. Бұл қашықтық әуедегі және ғарыштық радарларда айтарлықтай ұзарады. Кедергі – бұл радио энергияның жер бетінен, ғимараттардан және өсімдіктерден шағылуының нәтижесінде пайда болады. Кедергіге ұшақтар мен ғарыш кемелерін анықтауға және хабарлауға арналған радарлардағы ауа райы да кіреді. Кедергі импульстік амплитудалық уақыт домендік радардың осал аймағын тудырады. Доплерлік емес радар жүйелерін шамадан тыс жалған дабылдардың себебінен жерге тікелей бағыттауға болмайды, бұл компьютерлер мен операторларды жүктемелейді. Артық жүктемеден сақтану үшін кедергі жанындағы сезімталдық төмендетілуі керек. Бұл осалдық төменгі биіктіктегі аймақта көкжиектен бірнеше сәуле енінен басталып, төмен қарай созылады. Бұл ауа райы құбылысымен байланысты қозғалатын ауаның барлық көлемінде де кездеседі. Импульстік доплерлік радар осы мәселені келесідей шешеді: радар антеннасын компьютерді жүктемей және сезімталдықты төмендетпей жерге тікелей бағыттауға мүмкіндік береді. Жер бедері мен ауа райының жанындағы кішкентай нысандарды анықтау үшін импульстік амплитудалық уақыт домендік радармен байланысты осалдық аймағын толтырады. Қозғалатын нысананың индикаторымен (MTI) салыстырғанда анықтау қашықтығын 300% немесе одан да көп ұлғайтады, себебі кедергі астындағы көрінуді жақсартады. Төменге қарап іздеу/ату мүмкіндігі үшін шамамен 60 дБ кедергіні жою қабілеті қажет, ал импульстік доплер осы талапты қанағаттандыра алатын жалғыз стратегия болып табылады. Бұл төменгі биіктіктегі және көкжиектің астындағы ортамен байланысты осалдықтарды жояды. Импульстік қысу және қозғалатын нысананың индикаторы (MTI) 25 дБ дейін кедергі астындағы көрінуді қамтамасыз етеді. MTI антенна сәулесі жүйелерді осал ететін шамадан тыс жалған дабылдарды болдырмау үшін көкжиектен жоғары бағытталады. Ұшақтар мен кейбір зымырандар осы әлсіздікті пайдаланып, жер бетіне жақын ұшу арқылы (жердің тығырығын алу) анықтаудан қашуға тырысады. Бұл ұшу техникасы импульстік доплерлік радарға қарсы тиімді емес. Импульстік доплер зымырандарды және жер бетіне, теңіз бетіне және ауа райына жақын ұшатын ұшақтарды анықтауға тырысқанда артықшылық береді. Естілетін доплер және нысананың мөлшері, егер транспондер сигналынан досты немесе жауды анықтау мүмкін болмаса, көлік құралының түрін пассивті түрде жіктеуге көмектеседі. Орташа импульстік қайталау жиілігі (PRF) микротолқындардың 1500 мен 15000 цикл/секунд аралығындағы сигналдары естіледі. Бұл вертолеттің дыбысы вертолет, реактивті ұшақтың дыбысы реактивті ұшақ, ал винтті ұшақтың дыбысы винттерге ұқсас екенін білдіреді. Қозғалмайтын бөліктері жоқ ұшақтар бір тонды дыбыс шығарады. Нысананың нақты мөлшері естілетін сигналды пайдаланып есептелуі мүмкін.
Залалдар
Графиктегі қызыл сызықтан жоғары мақсатты диапазон болғанда екіұштылықты өңдеу қажет, бұл сканерлеу уақытын ұзартады. Сканерлеу уақыты кейбір жүйелер үшін өте маңызды фактор, себебі дыбыс жылдамдығында немесе одан да жоғары жылдамдықпен қозғалатын көліктер, мысалы Exocet, Harpoon, Kitchen және ауа-әуе ракеталары, бірнеше секундтың ішінде үлкен қашықтықты басып өте алады. Осындай ортада жұмыс істейтін жүйелер үшін аспанның барлық көлемін сканерлеуге кеткен ең көп уақыт он екі секундтан немесе одан да аз болуы керек. Жеңбіш сәулесі қолданылмаса, импульстік доплерлік радар көкжиектен жоғары кеңістіктің барлық көлемін қамту үшін тым баяу болуы мүмкін. Бұл тәсіл AN/SPS 49(V)5 өте ұзақ қашықтықтағы әуе бақылау радарында қолданылады, ол жылдамдықты арттыру үшін биіктік өлшеуінен бас тартады. Импульстік доплерлік антеннаның қозғалысы кем дегенде 3 түрлі PRF-тен алынған барлық кері сигналдарды ең жоғары күтілетін анықтау қашықтығына дейін өңдеуге жететіндей баяу болуы керек. Бұл тұрақтандыру уақыты деп аталады. Импульстік доплерлік антеннаның қозғалысы MTI қолданатын радар сияқты баяу болуы тиіс. Импульстік доплерді қамтитын іздеу радары көбінесе екі режимде жұмыс істейді, себебі импульстік доплер жоғары жалған дабылдар жиілігі бар аймақтарда (көкжиек немесе одан төмен және ауа райы) қолданылғанда ең жақсы жалпы өнімділікке қол жеткізеді, ал дәстүрлі радар жалған дабылдар жиілігі төмен (ашық аспанмен көкжиектен жоғары) кеңістікте жылдам сканерлейді. Көп режимді радар үшін антеннаның түрі маңызды фактор, өйткені радар антеннасының тудыратын жағымсыз фазалық ығысуы, ығы-зығысыздық көрінуі үшін өнімділікті нашарлатуы мүмкін.
Сигналдарды өңдеу
Импульстік Доплер сигналды өңдеуді жетілдіру үлкен, баяу қозғалатын шағылыстырғыштарға жақын жердегі кішкентай, жоғары жылдамдықты объектілерді анықтауға мүмкіндік береді. Мұны іске асыру үшін, хабар таратушы когерентті болуы керек және анықтау уақыт аралығында төмен фазалық шу тудыруы керек, ал қабылдағыш кең ауқымды динамикалық диапазонына ие болуы керек. Импульстік Доплер сигналды өңдеуге нақты қашықтық пен жылдамдықтарды анықтау үшін екіұштылықты шешу де кіреді. Нақты қашықтықты анықтау үшін әртүрлі PRF сигналдары қашықтық екіұштылығын шешу процесі арқылы салыстырылады. Сонымен қатар, жиілік екіұштылығын шешу процесі арқылы қабылданған сигналдар да салыстырылады.
Ерекше ескерту
Импульстік доплерлік радар қанағаттанарлық жұмыс істеуі үшін орындалуы тиіс арнайы талаптарға ие.
Импульстің қайталану жиілігі
Импульстік доплер көбінесе 3 кГц-ден 30 кГц-ға дейінгі орташа импульстік қайталану жиілігін (ПРФ) пайдаланады. Тарату импульстары арасындағы қашықтық 5 км-ден 50 км-ге дейін. Орташа ПРФ қолданып қашықтық пен жылдамдық тікелей өлшенбейді, нақты қашықтық пен жылдамдықты анықтау үшін екі мәнділікті шешу қажет. Допплер сигналдары көбінесе 1 кГц-тен жоғары, яғни естілетін, сондықтан орташа ПРФ жүйелерінен алынған аудио сигналдар пассивті нысаналарды жіктеуге қолданылуы мүмкін.
Бұрыштық өлшеу
Радар жүйелері бұрыштық өлшеуді талап етеді. Транспондерлер әдетте импульстік Доплер радарымен байланысты болмайды, сондықтан практикалық қолдану үшін жанама сәулелерді жою қажет. Із кесетін радар жүйелері радар антеннасының сәулесіне перпендикуляр өлшеулер жасау арқылы дәлдігін арттыру үшін бұрыштық қателікті пайдаланады. Бұрыштық өлшеулер белгілі бір уақыт аралығында орташаланып, радиалды қозғалыспен біріктіріледі, бұл болашақтағы қысқа мерзімге нысананың орнын болжауға қолайлы ақпаратты дамытуға мүмкіндік береді. Із кесетін радармен қолданылатын екі бұрыштық қателікті анықтау әдісі – моноимпульстік және конустық сканилеу.
Бірлестік
Импульстік доплерлік радар өте аз шулы когерентті генераторды қажет етеді. Фазалық шу тұрақты нысандарда көзге көрінетін қозғалысты туғызып, аралық бөгделіктің көріну өнімділігін төмендетеді. Қуысты магнитрон және қиылысқан өріс күшейткіші қолайлы емес, себебі бұл құрылғылардың тудырған шуы анықтау өнімділігіне кедергі келтіреді. Импульстік доплер үшін жарамды күшейткіш құрылғылар – клистрон, жүретін толқын түтігі және қатты денелік құрылғылар ғана.
Шалпан
Импульстік доплерлік сигналды өңдеу скальпинг деп аталатын құбылысты тудырады. Бұл атау, анықтау мүмкіндігінен жойылған тесіктер тізбегімен байланысты. Импульстік доплерлік радардағы скальпинг – бұл шашыраңқылықты жою сүзгісінен туындаған соқыр жылдамдықтар. Кез келген кеңістік көлемін 3 немесе одан көп түрлі PRF қолданып сканерлеу қажет. Екі PRF-ті қолданатын анықтау схемасында дискретті аралықтары бар анықтау тізілімі болады, олардың әрқайсысының өзіне тән соқыр жылдамдығы болады.
Терезеден
Зыңғырлайтын артефактілер импульстік Доплер радарларында іздеу, анықтау және түсініксіздікті шешуде мәселе тудырады. Зыңғырлау екі тәсілмен азайтылады. Біріншіден, тарату импульсінің пішіні алдыңғы және артқы жиектерін тегістеу үшін реттеледі, осылайша радиожиілік қуаты кенеттен өзгермей, бірте-бірте ұлғаяды және азаяды. Бұл тікбұрышты толқынның орнына тегіс ұштары бар тарату импульсін жасайды, бұл нысаннан шағылысқанда туындайтын зыңғырлау құбылысын азайтады. Екіншіден, қабылдау импульсінің пішіні сүзгіге импульстар қолданғанда пайда болатын зыңғырлауды азайтатын терезе функциясын қолдану арқылы реттеледі. Цифрлық жүйеде бұл жылдам Фурье түрлендіруіне қолданар алдында әрбір үлгінің фазасын және/немесе амплитудасын реттейді. Dolph Chebyshev терезесі ең тиімді, себебі ол тегіс өңдеу деңгейін қамтамасыз етеді және жалған дабылдарға себеп болатын зыңғырлауды болдырмайды.
Дифракция
Дөңгелек беттер, толқындар мен ағаштар сияқты, микротолқын сигналдарын бұруға жарамды дифракциялық торды құрайды. Импульстік Доплер соншалықты сезімтал болуы мүмкін, таулардың, ғимараттардың немесе толқын бастарынан дифракцияны жылдам қозғалатын объектілерді анықтау үшін пайдалануға болады, әйтпесе олар тікелей көру сызығындағы қатты кедергімен жасырылған болар еді. Бұл өте шығынды құбылыс, ол радардың маңызды артық суб-кедергі көру қабілеті болғанда ғана мүмкін болады. Рефракция және каналдық тарату горизонтты кеңейту үшін L диапазонында немесе одан төмен жиіліктік беріліс жиілігін пайдаланады, бұл дифракциядан мүлдем өзгеше. Горизонттан әрі қарай радиолокация үшін рефракция жер бетінің үстіндегі ауа бағанасының өзгеретін тығыздығын пайдаланып радиожиілік сигналдарын бұрады. Инверсиялық қабат RF сигналдарын толқын жетекші сияқты ауаның жұқа қабатында тұрақтандыратын уақытша тропосфералық каналды жасайды.
Вертолеттер
Үлкен жылжымалы бөліктері бар ұшақтарға ерекше назар қажет, себебі импульстік Доплер радары фазалық құлыпталған контур сияқты жұмыс істейді. Тікұшақтың пернелерінің дыбыс жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалуы, тікұшақ жер бетіне жақын және ауа райы жағдайында баяу қозғалғанда анықталатын жалғыз сигналды тудырады. Тікұшақ, қолайлы және кедергісіз ортада болмаса, жылдам импульстік шу шығаратын құрылғы сияқты көрінеді. Әуедегі нысанның түрін пассивті түрде анықтау үшін естілетін сигнал шығарылады. Рефлектордың қозғалысынан туындаған микротолқынды Доплер жиіліктерінің өзгеруі адамдар ести алатын дыбыс диапазонына (20 – 20 000 Гц) сәйкес келеді, бұл сигнал мақсатты жіктеу үшін, сондай-ақ А-көрсеткіші, В-көрсеткіші, С-көрсеткіші және RHI-индикаторы сияқты дәстүрлі радар дисплейлерімен бірге қолданылады. Адамның есіту қабілеті электрондық жабдықтан жақсырақ ажырата алады. Арнайы режим қажет, өйткені Доплер жылдамдығы туралы кері байланыс ақпараты радиалды қозғалыстан тәуелсіз болуы керек, соның арқасында жүйе құлыпталусыз сканерлеуден іздеуге өте алады. Құлыпталу шарттарын қанағаттандырмайтын кедергілер мен бұғаттау сигналдары үшін іздеу ақпаратын жасау үшін ұқсас техникалар қажет.
Көп реттік
Импульстік доплерлік радар ұшақтың бұрылуы мен траекторияны кесіп өтуін басқару үшін көп режимді болуы керек. Траекторияны ұстау режиміне енгеннен кейін, импульстік доплерлік радар радиалды жылдамдық ең төменгі анықтамалық жылдамдықтан төмен түскенде траекторияны қоршаған кеңістікке доплерлік сүзгіні өзгерту мүмкіндігін қамтамасыз етуі тиіс. Доплерлік сүзгіні реттеу радар траекториясы функциясымен байланыстырылып, траекторияны қоршаған кеңістікте доплерлік сүзгінің кері қабылдау жылдамдығын автоматты түрде реттеуі керек. Бұл мүмкіндік болмаса, траекторияны ұстау тоқтатылады, себебі радиалды жылдамдық нөлге жақындағанда мақсатты сигнал жиілікте өзгере алмағандықтан доплерлік сүзгімен жойылмақ. Көп режимді жұмыс жартылай белсенді радарлық бағыттау үшін үздіксіз толқынды сәулелендіруді де қамтуы мүмкін.