Частота повторения импульсов сигнала

Введение

Число импульсов повторяющегося сигнала

Частота повторения импульсов (PRF) – это количество импульсов повторяющегося сигнала за определенный промежуток времени. Этот термин используется в различных технических областях, особенно в радиолокации. В радиолокации радиосигнал с определенной несущей частотой включается и выключается; термин "частота" относится к несущей, а PRF – к числу переключений. Обе величины измеряются в циклах в секунду, или герцах. PRF обычно значительно ниже частоты. Например, типичный радар времен Второй мировой войны, такой как радар Type 7 GCI, имел базовую несущую частоту 209 МГц (209 миллионов циклов в секунду) и PRF 300 или 500 импульсов в секунду. Связанной характеристикой является ширина импульса – время, в течение которого передатчик включен во время каждого импульса. После генерации кратковременного импульса радиосигнала передатчик выключается, чтобы приемные устройства могли обнаружить отражения этого сигнала от удаленных целей. Поскольку радиосигнал должен пройти к цели и обратно, требуемый интервал между импульсами зависит от желаемой дальности радара. Для сигналов большей дальности требуются более длительные интервалы, что подразумевает более низкие PRF. И наоборот, более высокие PRF обеспечивают меньшую максимальную дальность, но передают больше импульсов и, следовательно, больше радиоэнергии за единицу времени. Это создает более сильные отражения, облегчающие обнаружение. Радарные системы должны находить баланс между этими двумя конкурирующими требованиями. При использовании устаревшей электроники PRF обычно фиксировалась на определенном значении или могла переключаться между ограниченным набором возможных значений. Это придает каждой радиолокационной системе характерную PRF, которую можно использовать в радиоэлектронной борьбе для идентификации типа или класса платформы, такой как корабль или самолет, или в некоторых случаях, конкретного подразделения. Радарные приемники предупреждения в самолетах содержат библиотеку распространенных PRF, которые могут идентифицировать не только тип радара, но и в некоторых случаях режим его работы. Это позволяло предупреждать пилотов, например, о том, что батарея СА-2 САМ "захватила" цель. Современные радарные системы обычно способны плавно изменять свою PRF, ширину импульса и несущую частоту, что значительно затрудняет идентификацию. PRF также присутствует в сонарных и лидарных системах, а также в любой импульсной системе. В случае сонара чаще используется термин частота повторения импульсов (PRR), хотя он обозначает то же самое понятие.

The pulse repetition frequency (PRF) is the number of pulses of a repeating signal in a specific time unit. The term is used within a number of technical disciplines, notably radar. In radar, a radio signal of a particular carrier frequency is turned on and off; the term "frequency" refers to the carrier, while the PRF refers to the number of switches. Both are measured in terms of cycle per second, or hertz. The PRF is normally much lower than the frequency. For instance, a typical World War II radar like the Type 7 GCI radar had a basic carrier frequency of 209 MHz (209 million cycles per second) and a PRF of 300 or 500 pulses per second. A related measure is the pulse width, the amount of time the transmitter is turned on during each pulse. After producing a brief pulse of radio signal, the transmitter is turned off in order for the receiver units to detect the reflections of that signal off distant targets. Since the radio signal has to travel out to the target and back again, the required inter pulse quiet period is a function of the radar's desired range. Longer periods are required for longer range signals, requiring lower PRFs. Conversely, higher PRFs produce shorter maximum ranges, but broadcast more pulses, and thus radio energy, in a given time. This creates stronger reflections that make detection easier. Radar systems must balance these two competing requirements. Using older electronics, PRFs were generally fixed to a specific value, or might be switched among a limited set of possible values. This gives each radar system a characteristic PRF, which can be used in electronic warfare to identify the type or class of a particular platform such as a ship or aircraft, or in some cases, a particular unit. Radar warning receivers in aircraft include a library of common PRFs which can identify not only the type of radar, but in some cases the mode of operation. This allowed pilots to be warned when an SA 2 SAM battery had "locked on", for instance. Modern radar systems are generally able to smoothly change their PRF, pulse width and carrier frequency, making identification much more difficult. Sonar and lidar systems also have PRFs, as does any pulsed system. In the case of sonar, the term pulse repetition rate (PRR) is more common, although it refers to the same concept.

Введение

Электромагнитные (например, радио- или световые) волны концептуально являются чистыми одночастотными явлениями, в то время как импульсы математически можно представить как состоящие из ряда чистых частот, которые складываются и взаимно уничтожаются во взаимодействиях, формирующих импульсную последовательность с определенными амплитудами, PRR, основными частотами, фазовыми характеристиками и т. д. (см. Анализ Фурье). Первый термин (PRF) чаще встречается в технической литературе по аппаратуре (электротехника и некоторые науки), а второй (PRR) – в военной аэрокосмической терминологии (особенно в терминологии вооруженных сил США) и спецификациях оборудования, таких как учебные и технические руководства для радиолокационных и гидролокационных систем. Величина, обратная PRF (или PRR), называется временем повторения импульсов (PRT), интервалом повторения импульсов (PRI) или периодом между импульсами (IPP) – это время, прошедшее от начала одного импульса до начала следующего. Термин IPP обычно используется применительно к количеству периодов PRT, подлежащих цифровой обработке. Каждый PRT имеет фиксированное количество дальностных ворот, но не все они используются. Например, радар APY 1 использовал 128 IPP с фиксированным количеством в 50 дальностных ворот, генерируя 128 доплеровских фильтров с использованием FFT. Количество дальностных ворот на каждой из пяти частот PRF было меньше 50. В радиолокационных технологиях PRF важен, поскольку он определяет максимальную дальность обнаружения цели (Rmax) и максимальную доплеровскую скорость (Vmax), которые радиолокатор может точно измерить. И наоборот, высокая частота PRR/PRF может повысить способность различать близкие объекты, такие как перископ или быстро движущаяся ракета. Это приводит к использованию низких PRR для поисковых радаров и очень высоких PRF для радаров управления огнем. Многие радары двойного назначения и навигационные радары – особенно корабельные с переменным PRR – позволяют опытному оператору регулировать PRR для улучшения и прояснения радиолокационного изображения, например, при плохом состоянии моря, когда волновое воздействие создает ложные отражения, и в целом для уменьшения помех или, возможно, для получения лучшего сигнала отражения от заметного объекта ландшафта (например, скалы).

Electromagnetic (e. g. radio or light) waves are conceptually pure single frequency phenomena while pulses may be mathematically thought of as composed of a number of pure frequencies that sum and nullify in interactions that create a pulse train of the specific amplitudes, PRRs, base frequencies, phase characteristics, et cetera (See Fourier Analysis). The first term (PRF) is more common in device technical literature (Electrical Engineering and some sciences), and the latter (PRR) more commonly used in military aerospace terminology (especially United States armed forces terminologies) and equipment specifications such as training and technical manuals for radar and sonar systems. The reciprocal of PRF (or PRR) is called the pulse repetition time (PRT), pulse repetition interval (PRI), or inter pulse period (IPP), which is the elapsed time from the beginning of one pulse to the beginning of the next pulse. The IPP term is normally used when referring to the quantity of PRT periods to be processed digitally. Each PRT having a fixed number of range gates, but not all of them being used. For example, the APY 1 radar used 128 IPP's with a fixed 50 range gates, producing 128 Doppler filters using an FFT. The different number of range gates on each of the five PRF's all being less than 50. Within radar technology PRF is important since it determines the maximum target range (Rmax) and maximum Doppler velocity (Vmax) that can be accurately determined by the radar. Conversely, a high PRR/PRF can enhance target discrimination of nearer objects, such as a periscope or fast moving missile. This leads to use of low PRRs for search radar, and very high PRFs for fire control radars. Many dual purpose and navigation radars—especially naval designs with variable PRRs—allow a skilled operator to adjust PRR to enhance and clarify the radar picture—for example in bad sea states where wave action generates false returns, and in general for less clutter, or perhaps a better return signal off a prominent landscape feature (e. g., a cliff).

Определение

Частота повторения импульсов (PRF) – это количество импульсов, возникающих в секунду. Это аналогично понятию «циклы в секунду», используемому для описания других типов волновых форм. PRF обратно пропорциональна периоду повторения импульсов, который является характеристикой импульсной волны. PRF обычно связана с интервалом между импульсами, то есть расстоянием, которое проходит импульс до возникновения следующего.

Физика

PRF имеет решающее значение для проведения измерений определенных физических явлений. Например, тахометр может использовать стробоскоп с регулируемой частотой повторения импульсов (PRF) для измерения скорости вращения. Частота повторения импульсов (PRF) стробоскопа увеличивается от низкого значения до тех пор, пока вращающийся объект не покажется неподвижным. Тогда частота повторения импульсов (PRF) тахометра будет соответствовать скорости вращения объекта. Другие типы измерений включают определение расстояния на основе времени задержки отраженных эхо-сигналов от световых, микроволновых и звуковых излучений.

Низкий PRF

Системы, использующие PRF ниже 3 кГц, считаются низкочастотными PRF, поскольку дальность может быть измерена непосредственно на расстоянии не менее 50 км. Радарные системы с низкочастотным PRF обычно обеспечивают однозначную дальность. Неоднозначная доплеровская обработка становится все более сложной задачей из-за ограничений когерентности при снижении PRF ниже 3 кГц. Например, радар L-диапазона с частотой повторения импульсов 500 Гц выдает неоднозначную скорость свыше 75 м/с (170 миль/час), при этом обнаруживая истинную дальность до 300 км. Такая комбинация подходит для радаров гражданской авиации и метеорологических радаров. Радары с низкочастотным PRF имеют пониженную чувствительность в условиях низкоскоростных помех, которые затрудняют обнаружение воздушных судов вблизи земной поверхности. Для обеспечения приемлемой работы вблизи земной поверхности обычно требуется индикатор движущихся целей, однако это приводит к возникновению эффекта "радарного скальпирования", усложняющего работу приемника. Радары с низкочастотным PRF, предназначенные для обнаружения самолетов и космических аппаратов, значительно ухудшают свои характеристики из-за погодных явлений, которые невозможно компенсировать с помощью индикатора движущихся целей.

Средний PRF

Диапазон и скорость могут быть определены с использованием среднего PRF, но ни один из них нельзя определить напрямую. Средний PRF составляет от 3 кГц до 30 кГц, что соответствует радиолокационному диапазону от 5 км до 50 км. Это неоднозначный диапазон, который значительно меньше максимального диапазона. Разрешение неоднозначности дальности используется для определения истинной дальности в радиолокационных системах со средним PRF. Средний PRF используется с импульсно-доплеровскими радиолокаторами, которые необходимы для обеспечения возможности обзора вниз и стрельбы вниз в военных системах. Доплеровский сигнал обычно не является неоднозначным, пока скорость не превысит скорость звука. Для определения истинной дальности и скорости требуется метод разрешения неоднозначности. Доплеровские сигналы находятся в диапазоне от 1,5 кГц до 15 кГц, что слышимо, поэтому звуковые сигналы от радиолокационных систем со средним PRF могут использоваться для пассивной идентификации целей. Например, радиолокационная система L-диапазона с PRF 10 кГц и коэффициентом заполнения 3,3% может определять истинную дальность до 450 км (30 * C / 10 000 км/с). Это инструментальная дальность. Неоднозначная скорость составляет 1500 м/с (3300 миль/час). Неоднозначная скорость радиолокатора L-диапазона с PRF 10 кГц будет равна 1500 м/с (3300 миль/час) (10 000 x C / (2 x 10^9)). Истинную скорость можно определить для объектов, движущихся со скоростью менее 45 000 м/с, если полосовой фильтр пропускает сигнал (1500/0,033). Средний PRF имеет специфические проблемы, связанные с "радарным скальпированием", которые требуют резервирования схем обнаружения.

Высокий PRF

Системы, использующие PRF выше 30 кГц, лучше известны как радары с прерывистой непрерывной волной (ICW), поскольку прямая скорость может быть измерена до 4,5 км/с в L-диапазоне, однако разрешение по дальности становится затруднительным. Высокий PRF применяется в системах, требующих работы на малых дистанциях, таких как взрыватели и радары правоохранительных органов. Например, если 30 отсчетов взяты в период затишья между передающими импульсами при PRF 30 кГц, то истинная дальность может быть определена максимум до 150 км, используя 1 микросекундные отсчеты (30 x C / 30 000 км/с). Объекты за пределами этой дальности могут быть обнаружены, но их истинная дальность не может быть установлена. Становится все сложнее получать несколько отсчетов между передающими импульсами при таких частотах повторения импульсов, поэтому измерения дальности ограничены малыми расстояниями.

Сонар

Сонарные системы работают аналогично радарам, за исключением того, что средой распространения является жидкость или воздух, а частота сигнала – звуковая или ультразвуковая. Как и радары, низкие частоты распространяют относительно большую энергию на большие расстояния, но с меньшим разрешением. Высокие частоты, которые затухают быстрее, обеспечивают более высокое разрешение близких объектов. Сигналы распространяются со скоростью звука в среде (обычно воде), а максимальная частота повторения импульсов (PRF) зависит от размера исследуемого объекта. Например, скорость звука в воде составляет 1497 м/с, а толщина человеческого тела – около 0,5 м, поэтому PRF для ультразвуковой визуализации человеческого тела должна быть менее 2 кГц (1497/0,5). В качестве другого примера, глубина океана составляет примерно 2 км, поэтому звуку требуется более секунды, чтобы отразиться от морского дна и вернуться. Поэтому сонар – относительно медленная технология с очень низкой PRF.

Лазерный

Световые волны могут использоваться в качестве радиолокационных частот, в этом случае система известна как лидар. Это сокращение от "Light Detection And Ranging" (обнаружение и определение дальности с помощью света), аналогично первоначальному значению аббревиатуры "RADAR" (RAdio Detection And Ranging – радиообнаружение и определение дальности). Оба термина со временем стали общеупотребимыми английскими словами и, следовательно, являются аббревиатурами, а не инициализмами. Лазерные дальномеры или другие приборы для определения дальности в оптическом диапазоне работают по тому же принципу, что и радары, но на гораздо более высоких частотах. Нелазерное обнаружение света широко применяется в автоматизированных системах управления (например, фотодатчики для управления гаражными воротами, сортировочные ворота конвейеров и т.п.). А те системы, которые используют определение дальности по частоте и длительности импульсов, по сути, являются тем же типом систем, что и радар, но без дополнительных функций, ориентированных на взаимодействие с человеком. В отличие от низкочастотных радиосигналов, свет не огибает земную поверхность и не отражается от ионосферы, как сигналы радиолокаторов поискового диапазона C, поэтому лидар полезен только в приложениях прямой видимости, как и радиолокационные системы с более высокой частотой.