Введение

Радар непрерывного излучения с известной стабильной частотой – это тип радиолокационной системы, в котором передается непрерывная радиоэнергия с известной и стабильной частотой, а затем принимается отражение от любых объектов. Отдельные объекты могут быть обнаружены с использованием эффекта Доплера, который вызывает изменение частоты принимаемого сигнала по сравнению с переданным, что позволяет выделить его путем фильтрации переданной частоты. Доплеровский анализ отраженного сигнала позволяет отфильтровывать медленно движущиеся или неподвижные объекты, обеспечивая устойчивость к помехам от крупных стационарных объектов и медленно движущегося шума. Это делает его особенно полезным для обнаружения объектов на фоне отражающей поверхности, например, позволяя самолету, летящему на большой высоте, обнаруживать низколетящие самолеты на фоне земной поверхности. Поскольку сильное отражение от поверхности может быть отфильтровано, можно обнаружить гораздо более слабое отражение от цели. Радиосистемы CW используются в широком диапазоне дальностей. Недорогие радиовысотомеры, датчики приближения и спортивное оборудование, работающие на расстояниях от нескольких десятков футов до нескольких километров. Дорогостоящие радары раннего предупреждения CW с угловым отслеживанием (CWAT), работающие на расстоянии свыше 100 км и используемые в системах ракет земля-воздух.

Типы

Существуют два типа радиолокаторов непрерывного излучения: немодулированные и модулированные.

Частотность модуляции пилозуба

Модуляция пилообразным сигналом наиболее часто используется в радиолокаторах FM CW, где требуется определение дальности до объектов, не имеющих вращающихся частей. Информация о дальности смешивается с доплеровской скоростью с использованием этой методики. Модуляцию можно отключать при чередующихся сканированиях для определения скорости, используя немодулированный сдвиг частоты несущей. Это позволяет определить дальность и скорость одним радиолокационным комплексом. Модуляция треугольной волной может быть использована для достижения той же цели. Как показано на рисунке, принятая форма сигнала (зелёная) является просто задержанной копией переданного сигнала (красная). Передаваемая частота используется для преобразования принимаемого сигнала к базовой полосе, а величина сдвига частоты между переданным и отражённым сигналами увеличивается со временем задержки (расстоянием). Таким образом, время задержки является мерой дальности; небольшое разнесение частот создаётся близкими отражениями, а большее разнесение частот соответствует большему времени задержки и большей дальности. С развитием современной электроники цифровая обработка сигналов используется для большинства процессов обнаружения. Сигналы разности частот проходят через аналого-цифровой преобразователь, и результат подвергается цифровой обработке. Как описано в литературе, определение дальности FM CW для линейной рампообразной формы сигнала задаётся следующим набором уравнений:

Большинство современных систем радиолокации FM CW используют одну передающую антенну и несколько принимающих антенн. Поскольку передатчик работает непрерывно на частоте, близкой к частоте приёмника, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать перегрузки каскадов приёмника.

Монопульс

Монопульсные антенны производят угловые измерения без использования импульсов или иной модуляции. Эта техника применяется в полуактивных радиолокационных системах самонаведения.

Фильтр

Подход фильтрации основан на использовании узкополосного фильтра подавления, который устраняет сигналы от близлежащих отражателей с низкой скоростью. Полоса подавления охватывает диапазон от 16 до 160 километров в час, в зависимости от предполагаемых условий. Типичное улучшение составляет от 30 до 70 дБ.

Прекращение, FMICW

Хотя системы с прерыванием несущей не считаются системами непрерывного излучения (CW), их характеристики достаточно близки к групповым системам CW с прерыванием, использующим чистый CW-радар, поскольку частота повторения импульсов достаточно высока, чтобы измерения дальности были невозможны без частотной модуляции (FM). Эта техника отключает передатчик на определенный период времени перед началом выборки сигнала приемником. Помехи в приемнике уменьшаются примерно на 8,7 дБ за одну постоянную времени. Для снижения наводок на 120 дБ требуется 14 временных констант восстановления полосы пропускания между моментом отключения передатчика и началом выборки сигнала приемником. Принцип прерывания широко используется, особенно в радиолокационных системах большой дальности, где критически важна чувствительность приемника. Он обычно известен как "частотно-модулированная прерывистая непрерывная волна", или FMICW.

Преимущества

Из-за простоты, радары CW недороги в производстве, относительно надежны, дешевы в обслуживании и полностью автоматизированы. Некоторые из них достаточно малы, чтобы их можно было носить в кармане. Более сложные радарные системы CW способны надёжно обнаруживать цели на расстоянии более 100 км, обеспечивая при этом подсветку ракет. Наклон частоты FMCW может быть сжат, что даёт дополнительное усиление сигнала к шуму, и, следовательно, не требуется дополнительная мощность, как в импульсных радарах без FM-модуляции. В сочетании с когерентностью это позволяет использовать интеграцию Фурье вместо азимутной интеграции, обеспечивая лучшее отношение сигнал/шум и измерение эффекта Доплера. Доплеровская обработка позволяет интегрировать сигнал между последовательными выборками приёмника. Это означает, что можно увеличить количество выборок для увеличения дальности обнаружения без увеличения передаваемой мощности. Эта технология позволяет создавать недорогие, малозаметные и маломощные радары. По этой причине характеристики CW сопоставимы с характеристиками импульсно-доплеровских радаров.

Ограничения

Немодулированный радиолокатор непрерывного действия не может измерять расстояние. Амплитуда сигнала предоставляет единственный способ определить, какому объекту соответствует какое измерение скорости, когда рядом с приемником находится более одного движущегося объекта, но информация об амплитуде бесполезна без измерения дальности для оценки размера цели. К движущимся объектам относятся птицы, летящие рядом с объектами перед антенной. Отражения от небольших объектов, находящихся непосредственно перед приемником, могут быть заглушены отражениями, попадающими в боковые лепестки антенны от крупных объектов, расположенных сбоку, сверху или позади радара, таких как деревья, раскачивающиеся на ветру, высокая трава, морская поверхность, грузовые поезда, автобусы, грузовики и самолеты. Малые радиолокационные системы, не имеющие модуляции дальности, надежны только при использовании с одним объектом в стерильной среде, свободной от растительности, самолетов, птиц, погодных явлений и других близлежащих транспортных средств. При боковых лепестках антенны 20 дБ грузовик или дерево с отражающей поверхностью в 1000 квадратных футов за антенной может создавать сигнал такой же силы, как автомобиль с 10 квадратными футами отражающей поверхности перед небольшой ручной антенной. Для определения надежности работы портативных устройств требуется обследование местности, поскольку незамеченный дорожный трафик и деревья за оператором могут мешать наблюдениям, проводимым перед оператором. Это типичная проблема с радарными пистолетами, используемыми сотрудниками правоохранительных органов, в гонках NASCAR и в спорте, таких как бейсбол, гольф и теннис. Помехи от второго радара, автомобильного зажигания, других движущихся объектов, вращающихся лопастей вентилятора на целевом объекте и других источников радиочастот могут искажать измерения. Эти системы ограничены длиной волны, которая составляет 0,02 метра в Ku-диапазоне, поэтому ширина диаграммы направленности превышает 45 градусов, если антенна меньше 12 дюймов (0,3 метра). Значительные боковые лепестки антенны распространяются во всех направлениях, если антенна не больше транспортного средства, на котором установлен радар. Для надежной работы требуется подавление боковых лепестков и FM-модуляция дальности. Невозможно определить направление входящего сигнала без подавления боковых лепестков, что требует двух или более антенн, каждая со своим индивидуальным приемником. Невозможно определить расстояние без FM-модуляции дальности. Скорость, направление и расстояние необходимы для выделения отдельного объекта. Эти ограничения обусловлены хорошо известными ограничениями базовой физики, которые невозможно преодолеть конструкторскими решениями.