Введение

Радиолокационные системы используют согласованные фильтры в цепи приемника, чтобы улучшить отношение сигнал/шум (ОСШ). Согласованные фильтры являются измененными во времени и сопряженными версиями переданного сигнала. Функция неоднозначности является выходом согласованного фильтра для заданной входной формы волны. Функция неоднозначности используется, чтобы увидеть разрешение формы волны и неоднозначности как в областях Доплера, так и в области значений. Идеальная функция неоднозначности является двумерной функцией дельты Дирака, подобной форме миниатюры, которая не имеет неоднозначностей. Однако эта функция недоступна, потому что ей требуется форма волны с бесконечной длительностью и пропускной способностью. Шумовая полоса - это различие между верхней и нижней частотами формы волны. Функции неоднозначности различных осциллограмм позволяют понять их преимущества и недостатки.

Этот пример использует требования радиолокационной системы, введенные и охарактеризованные в примере анализа формы волны с использованием функции неоднозначности, и аппроксимирует скорость света, равную 3e8 м/с. Желаемая система имеет максимальную однозначную дальность 15 км и разрешение области значений 1,5 км.

Прямоугольные формы волны

Описание

Наиболее базовой формой волны является прямоугольная форма волны, амплитуда которой чередуется между двумя значениями, подобными квадратной волне. Форма волны по умолчанию в Radar Waveform Analyzer является прямоугольной.

Создайте форму волны с этими параметрами:

Используйте частоту дискретизации, которая по крайней мере в два раза превышает самую высокую частотную составляющую формы волны, которая в этом случае является шириной полосы пропускания. В прямоугольной форме волны полоса пропускания является обратной ширине импульса. Поскольку полоса пропускания составляет 100 кГц, частота дискретизации составляет 200 кГц.

Область значений и разрешение

Вкладка Характеристики показывает свойства радиолокационной системы, которая использует заданную прямоугольную форму волны. Чтобы наблюдать связь между частотой повторения импульса (PRF) и другими характеристиками, увеличивайте и уменьшайте значения PRF.

Вкладка «Характеристики» показывает, что PRF обратно пропорциональна максимальной однозначной области значений, потому что максимальная однозначная область значений определяется количеством времени между импульсами. Зависимость между PRF и максимальной однозначной областью значений применяется ко всем импульсным формам волны, поскольку чем дальше от них распределяются импульсы, тем дальше сигнал может распространяться и возвращаться до того, как излучается следующий импульс.

Помимо простого измерения области значений, радиолокационные системы измеряют скорость с помощью эффекта Доплера. Чем больше доплеровский сдвиг сравнивается с исходным сигналом, тем быстрее движется цель. Как таковой, доплеровский сдвиг и скорость прямо пропорциональны и часто используются взаимозаменяемо. На вкладке «Характеристики» отображаются Разрешение Доплера и максимальный сдвиг Доплера, которые соответствуют разрешению скорости и максимальной обнаруживаемой скорости, соответственно. Эти формы волны также демонстрируют допплеровскую дилемму, где небольшая PRF дает большую максимальную однозначную область значений, но плохую максимальную доплеровскую область, в то время как большая PRF дает лучшую максимальную доплеровскую область значений, но более худшую максимальную однозначную область значений.

Вкладка «Характеристики» показывает, что меньшие ширины импульсов дают лучшее разрешение области значений и меньший минимальный диапазон. Компромисс для меньшей ширины импульса заключается в том, что для надежного обнаружения степени эхо-сигнала требуется более высокий возврат пика.

Исходная форма волны имеет максимальную дальность 15 км и разрешение области значений 1,5 км, но её доплеровское разрешение составляет 10 кГц. Принимая, что радар работает на 1 ГГц, доплеровское разрешение диктует, что радиолокационная система не может разделять цели с разностью оборотов менее 30 км/с, что является слишком большим, чтобы быть практичным для многих реальных радиолокационных систем. Чтобы дополнительно визуализировать область значений и доплеровские области, посмотрите различные графики неоднозначности.

График Доплеровской резки на 0 кГц показывает автокорреляционную функцию (ACF) формы волны, которая соответствует согласованный фильтр реакции стационарной цели. Первый нулевой ответ для каждой формы волны такой же, как и его соответствующая ширина импульса. Чтобы получить разрешение области значений, умножьте ширину импульса на скорость света над 2, чтобы принять во внимание поездку туда и обратно. Для форм волны примера разрешения области значений 1,5 км, 3 км и 4,5 км.

График разрыва с нулевой задержкой показывает большие погрешности до первой нулевой характеристики для каждой из форм волны. Глядя на форму ширины импульса 10 мкс, первый нуль составляет 0,1 МГц, что переводится на доплеровский сдвиг 100 кГц или 30 км/с. Другими словами, две цели должны иметь скорости, которые отличаются более чем на 30 км/с, чтобы разделиться через доплеровский ответ, что нереально в большинстве радиолокационных ситуаций.

Контурный график отображает ненулевую характеристику функции неоднозначности. Поскольку коэффициент заполнения или отношение ширины импульса к периоду импульса составляет 10%, ненулевая характеристика занимает только около 10% всех задержек. Функция неоднозначности поверхности показывает ответ как по задержке, так и по Допплеру, что просто другой способ визуализировать контурный график 3-D.

Изменения ширины импульса и PRF показывают, как улучшить максимальную неоднозначную область значений и разрешение области значений, но разрешение Доплера остается плохим. Решение состоит в том, чтобы использовать меньшую ширину импульса с большей PRF, но оба изменения значительно уменьшают максимальную степень и, таким образом, ОСШ, что делает более трудным обнаружение объектов. Произведение полосы пропускания и длины импульса называется продуктом полосы времени, и поскольку полоса пропускания и длина импульса прямоугольной длины волны обратно пропорциональны, произведение полосы времени не может превышать 1 для этой формы волны. Из-за этих компромиссов прямоугольные формы волны редко используются в практичных радиолокационных системах.

Линейный FM

Описание

Линейно-частотно-модулированные (FM) формы волны являются фазно-модулированными формами волны, частота которых либо увеличивается, либо уменьшается линейно в течение всей длительности импульса. Линейные формы FM являются популярным выбором для радиолокационных систем, потому что, в отличие от прямоугольных форм волны, ширина импульса и энергия импульса развязываются из-за меняющейся частоты. Это разъединение делает продукт с пропускной способностью выше 1 и позволяет улучшить способность обнаружения целевых объектов. Приложение Radar Waveform Analyzer имеет функциональность, чтобы смоделировать и эти формы волны. Для получения дополнительной информации о линейных формах FM-сигналов смотрите Линейные Частотно-Модулированные Импульсные сигналы

Создайте форму волны с этими параметрами:

Щелкните на вкладке Spectrum, чтобы просмотреть пиковую степень.

Область значений и разрешение

Поскольку форма волны длиннее, степень увеличивается. Однако разрешение области значений, разрешение Доплера и максимальный однозначный диапазон те же, что и для прямоугольной формы волны из-за эффектов частотной модуляции. Вкладка Характеристики показывает, что минимальная область значений значительно увеличена, что означает, что система не может обнаружить какие-либо объекты, которые находятся ближе 7,5 км. Чтобы улучшить разрешение Доплера и уменьшить минимальную область значений, используйте многочисленные импульсы.

При использовании когерентной последовательности импульсов и Доплеровской обработки разрешение Доплера улучшается пропорционально количеству добавленных импульсов. Вкладка «Характеристики» показывает, что разрешение области значений, максимальный Доплер и максимальный однозначный диапазон все еще остаются прежними, но разрешение Доплера значительно улучшено. Компромисс для добавления большего количества импульсов заключается в том, что теперь присутствуют боковые колеса, которые можно увидеть на вкладке Согласованный Фильтр Response. Один из способов уменьшить эти боковые панели - применить окно.

Нажмите Ctrl и щелкните по двум формам сигналов, чтобы сравнить их один за другим. Окно уменьшает степень майнлоба со 100 В до менее 50 В, что является потерей около 33 дБ степени, и ширина мэнлоба также шире по сравнению с формой волны, где вы не применяли окно. Однако окно действительно уплощает боковые колеса, что делает обнаружение с использованием порогового значения более надежным.

Частотно-модулированные непрерывные формы волны (FMCW)

Описание

Частотно-модулируемые непрерывные формы волны (FMCW) аналогичны линейным FM сигналам, но являются непрерывными, а не импульсными, что эффективно представляет собой линейную FM сигнал, но с коэффициентом заполнения 100%. FMCW часто используются в радиолокационных системах малой дальности из-за их резкого разрешения как для Доплера, так и для области значений.

Создайте форму волны с этими параметрами:

Область значений и разрешение

Проверьте вкладку Характеристики и увидите, что большинство характеристик те же, что и для прямоугольной формы волны. Одно из заметных различий заключается в том, что при непрерывных формах сигналов приемник всегда остается включенным, поэтому минимальная область значений всегда равна 0. Чтобы улучшить разрешение в области значений, увеличьте полосу пропускания свип-сигнала.

Разрешение в области значений улучшается в множителе от 5 до 0,3 км. Однако допплеровское разрешение все еще плохое на 10 кГц. Одним из способов улучшить это является увеличение времени свипа, которое по существу удлиняет длительность частотной модуляции.

Увеличенное время свипа улучшает разрешение Доплера в 10 раз, снижая его до 1 кГц. Хотя разрешение Доплера улучшается, компромисс для удлинения сигнала заключается в том, что максимальный Доплер уменьшается на тот же коэффициент, поэтому, если существуют быстро движущиеся цели, которые превышают этот Доплеровский предел, радиолокационная система не может определить их скорость без дополнительной сложности обработки.

Увеличение количества свипов выполняется по тому же принципу когерентных последовательностей импульсов для улучшения доплеровского разрешения с 10 кГц до 1 кГц. На вкладке Doppler Cut отображается функция неоднозначности, которая имеет значительные боковые элементы.

Функция неоднозначности, которая имеет многочисленные боковые колеса, часто упоминается как функция неоднозначности «ногтей». Чтобы получить лучший вид, сравните 3-D графики неоднозначности один за другим.

Функция неоднозначности слегка искажена вдоль плоскости Доплера-Задержки, что показывает, что незначительные изменения Доплера могут вызвать ошибки в измерениях области значений. Это явление называется допплеровским связыванием и обычно встречается в линейных формах FM-волн.

Другой компромисс с формой волны FMCW заключается в том, что максимальная однозначная область значений является функцией времени свипа, которое может быть трудно увеличить за определенную точку. Таким образом, многие радары FMCW ограничены малой дальностью, но из-за их улучшенной области значений и допплеровского разрешения по сравнению с другими формами волны, формы FMCW обычно используются в системах, которые требуют высокой точности измерений.

Сводные данные

В этом примере показано, как использовать приложение Radar Waveform Analyzer для сравнения различных типов форм волны, включая прямоугольные, линейные FM и FMCW формы волны. Функция неоднозначности формы волны является выходом согласованного фильтра с формой волны в качестве входных данных, и функция неоднозначности служит ценным инструментом для определения эффективности формы волны для данной радиолокационной системы.