Введение

Радиолокационные системы используют согласованные фильтры в цепи приемника, чтобы улучшить отношение сигнал-шум (SNR). Согласованные фильтры инвертируются временем и спрягаемые версии переданного сигнала. Функцией неоднозначности является выход согласованного фильтра для данной входной формы волны. Функция неоднозначности используется, чтобы видеть разрешение формы волны и неоднозначности в обоих области области значений и Доплер. Идеальная функция неоднозначности является двумерной функцией дельты Дирака, похожей на форму чертежной кнопки, которая не имеет никаких неоднозначностей. Однако эта функция недостижима, потому что она требует формы волны с бесконечной длительностью и полосой пропускания. Полоса пропускания является различием между верхними и более низкими частотами формы волны. Функции неоднозначности различных форм волны обеспечивают понимание их преимуществ и недостатков.

Этот пример использует требования радиолокационной системы, введенные и охарактеризованные в Анализе Формы волны Используя пример Функции Неоднозначности, и аппроксимирует скорость света, чтобы быть 3e8 м/с. Желаемая система имеет максимальную однозначную область значений 15 км и разрешение области значений 1,5 км.

Прямоугольные радиоимпульсы

Описание

Самая основная форма волны является прямоугольным радиоимпульсом, амплитуда которого чередуется между двумя значениями, похожими на прямоугольную волну. Форма волны по умолчанию в Radar Waveform Analyzer является прямоугольным радиоимпульсом.

Создайте форму волны этими параметрами:

Используйте частоту дискретизации, которая, по крайней мере, удваивает самую высокую частотную составляющую формы волны, которая в этом случае является полосой пропускания. В прямоугольном радиоимпульсе полоса пропускания является обратной величиной ширины импульса. Поскольку полоса пропускания составляет 100 кГц, частота дискретизации составляет 200 кГц.

Область значений и разрешение

Вкладка Characteristics показывает свойства радиолокационной системы, которая использует данный прямоугольный радиоимпульс. Чтобы наблюдать отношение между импульсной частотой повторения (PRF) и другими характеристиками, увеличьте и уменьшите значения PRF.

Вкладка Characteristics показывает, что PRF обратно пропорционален максимальной однозначной области значений, потому что максимальная однозначная область значений определяется количеством времени между импульсами. Отношение между PRF и максимальной однозначной областью значений запрашивает все импульсные формы волны, как, чем дальше независимо импульсы распространены, тем дальше сигнал может распространить и возвратиться, прежде чем следующий импульс испускается.

Вне просто измеряющейся области значений радиолокационные системы измеряют скорость при помощи эффекта Доплера. Чем больше эффект Доплера сравнивается исходный сигнал, тем быстрее цель перемещается. По сути, эффект Доплера и скорость прямо пропорциональны и часто используются взаимозаменяемо. Вкладка Characteristics отображает Доплеровское разрешение и максимальный эффект Доплера, которые соответствуют разрешению скорости и максимальной обнаруживаемой скорости, соответственно. Эти формы волны также демонстрируют Доплеровскую Дилемму, где маленький PRF дает большую максимальную однозначную область значений, но плохой максимум Доплер, в то время как больший PRF дает лучший максимум Доплер, но худшую максимальную однозначную область значений.

Вкладка Characteristics показывает, что меньшая ширина импульса дает лучшее разрешение области значений и меньшую минимальную область значений. Компромисс для меньшей ширины импульса - то, что она требует, чтобы более высокая пиковая мощность для эха возврата была обнаружена надежно.

Исходная форма волны имеет максимальную область значений 15 км и разрешение области значений 1,5 км, но его Доплеровское разрешение составляет 10 кГц. Предположение, что радар действует на уровне 1 ГГц, Доплеровское разрешение диктует, что радиолокационная система не может разделить цели различием в скорости, меньшим, чем 30 км/с, который является слишком большим, чтобы быть практичным для многих реальных радиолокационных систем. Чтобы далее визуализировать область значений и Доплеровские области, просмотрите различные графики неоднозначности.

Доплеровский Кут график на уровне 0 кГц показывает автокорреляционную функцию (ACF) формы волны, которая соответствует ответу согласованного фильтра стационарной цели. Первый пустой ответ для каждой формы волны совпадает со своей соответствующей шириной импульса. Чтобы получить разрешение области значений, умножьте ширину импульса на скорость света более чем 2 с учетом цикла обработки. Для форм волны в качестве примера разрешения области значений составляют 1,5 км, 3 км и 4,5 км.

График сокращения нулевой задержки показывает большие разрывы до первого пустого ответа для каждой из форм волны. Смотря на 10 форм волны ширины импульса мкс, первый пустой указатель на уровне 0,1 МГц, который переводит в эффект Доплера 100 кГц или 30 км/с. Другими словами, две цели должны иметь скорости, которые отличаются на более чем 30 км/с, которые будут разделены через Доплеровский ответ, который нереалистичен в большинстве радарных ситуаций.

Контурный график отображает ненулевой ответ функции неоднозначности. Поскольку рабочий цикл или отношение ширины импульса к импульсному периоду, составляет 10%, ненулевой ответ только занимает приблизительно 10% всех задержек. Поверхностная функция неоднозначности показывает ответ и относительно задержки и относительно Доплера, который является просто другим способом визуализировать 3-D контурный график.

Изменения в ширине импульса и PRF показывают, как улучшить максимальную неоднозначную область значений и разрешение области значений, но Доплеровское разрешение остается плохим. Решение состоит в том, чтобы использовать меньшую ширину импульса с большим PRF, но оба изменения значительно уменьшают максимальную мощность и таким образом ОСШ, делая более трудным обнаружить объекты. Продукт полосы пропускания и импульсной длины называется продуктом полосы пропускания времени, и поскольку полоса пропускания и импульсная длина прямоугольной длины волны обратно пропорциональны, продукт полосы пропускания времени не может превысить 1 для этой формы волны. Из-за этих компромиссов прямоугольные радиоимпульсы редко используются в практических радиолокационных системах.

Линейный FM

Описание

Линейные формы волны частоты модулируется (FM) являются модулируемыми фазой формами волны, частоту которых или увеличения или уменьшает линейно в длительности импульса. Линейные формы волны FM являются популярным выбором для радиолокационных систем, потому что, в отличие от этого, в прямоугольных радиоимпульсах, ширина импульса и энергия импульса разъединяются из-за изменяющейся частоты. Это разъединение заставляет продукт полосы пропускания времени превысить 1 и допускает улучшенную целевую способность к обнаружению. Приложение Radar Waveform Analyzer имеет функциональность, чтобы смоделировать эти формы волны также. Для получения дополнительной информации о линейных формах волны FM, представлении Linear Frequency Modulated Pulse Waveforms

Создайте форму волны этими параметрами:

Нажмите на вкладку Spectrum, чтобы просмотреть пиковую мощность.

Область значений и разрешение

Поскольку форма волны более длинна, степень увеличена. Однако разрешение области значений, Доплеровское разрешение и максимальная однозначная область значений эквивалентны для прямоугольного радиоимпульса из-за эффектов частотной модуляции. Вкладка Characteristics показывает, что минимальная область значений значительно увеличена, означая, что система не может обнаружить объекты, которые ближе, чем 7,5 км. Чтобы улучшить Доплеровское разрешение и уменьшить минимальную область значений, используйте многочисленные импульсы.

При помощи когерентной последовательности импульсов и Доплера, обрабатывающего, Доплеровское разрешение улучшается пропорционально количеству добавленных импульсов. Вкладка Characteristics показывает, что разрешение области значений, максимум, Доплер и максимальная однозначная область значений все еще остаются то же самое, но Доплеровское разрешение очень улучшено. Компромисс для добавления большего количества импульсов - то, что боковые лепестки теперь присутствуют, который виден во вкладке Matched Filter Response. Один способ уменьшать эти боковые лепестки состоит в том, чтобы применить окно.

Нажмите Ctrl и нажмите на эти две формы волны, чтобы сравнить их рядом друг с другом. Окно уменьшает степень основного лепестка с 100 В меньше чем до 50 В, которая является потерей приблизительно 33 дБ в степени, и ширина основного лепестка также более широка по сравнению с формой волны, где вы не применяли окно. Однако окно действительно сглаживает боковые лепестки, который делает обнаружение с помощью более надежной пороговой обработки.

Частота модулируемые непрерывные формы волны (FMCW)

Описание

Частота модулируемые непрерывные формы волны (FMCW) является похожей на линейные формы волны FM, но является непрерывной, а не импульсной, который является эффективно линейной формой волны FM, но с рабочим циклом 100%. FMCWs часто используются в коротком диапазоне автомобильные радиолокационные системы из-за их резкого разрешения и для Доплера и для области значений.

Создайте форму волны этими параметрами:

Область значений и разрешение

Проверяйте вкладку Characteristics и смотрите, что большинство характеристик эквивалентно для прямоугольного радиоимпульса. Заметные различия - то, что с непрерывными формами волны, приемник всегда остается на, таким образом, минимальная область значений всегда 0. Чтобы улучшить разрешение области значений, увеличьте полосу пропускания развертки.

Разрешение области значений улучшается на коэффициент 5 к 0,3 км. Однако Доплеровское разрешение все еще плохо на уровне 10 кГц. Один способ улучшить это путем увеличения времени развертки, которое по существу удлиняет длительность частотной модуляции.

Увеличенное время развертки улучшает Доплеровское разрешение на коэффициент 10, уменьшая его до 1 кГц. Несмотря на то, что Доплеровское разрешение улучшается, компромисс для удлинения сигнала - то, что максимум, который Доплер уменьшает тем же фактором, поэтому если существуют быстро двигающиеся цели, которые превышают этот Доплеровский предел, радиолокационная система, не может определить их скорость без дополнительной сложности обработки.

Увеличение числа разверток следует за тем же принципом когерентных последовательностей импульсов, чтобы улучшить Доплеровское разрешение с 10 кГц до 1 кГц. Вкладка Doppler Cut отображает функцию неоднозначности, которая имеет значительные боковые лепестки.

Функция неоднозначности, которая имеет многочисленные боковые лепестки, часто упоминается как функция неоднозначности "трудной ситуации". Чтобы получить лучший взгляд, сравните 3-D графики неоднозначности рядом друг с другом.

Функция неоднозначности немного скашивается вдоль плоскости доплеровской Задержки, которая показывает, что небольшие изменения в Доплере могут вызвать ошибки в измерениях области значений. Это явление называется Доплером области значений, связывающимся, и обычно происходит в линейных формах волны FM.

Другое согласование с формой волны FMCW - то, что максимальная однозначная область значений является функцией времени развертки, которое может затруднить, чтобы увеличиться мимо определенного момента. Таким образом много радаров FMCW ограничиваются малой дальностью, но из-за их улучшенной области значений и Доплеровского разрешения по сравнению с другими формами волны, формы волны FMCW обычно используются в системах, которые требуют высокой точности измерения.

Сводные данные

В этом примере показано, как использовать приложение Radar Waveform Analyzer, чтобы сравнить различные типы форм волны, включая прямоугольный, линейный FM и формы волны FMCW. Функцией неоднозначности формы волны является выход согласованного фильтра с формой волны, как введено, и функция неоднозначности служит ценным инструментом для определения эффективности формы волны для данной радиолокационной системы.