Содержание
Радар непрерывного излучения (CW) непрерывно излучает электромагнитные волны и одновременно принимает эхо-сигналы, измеряя скорость цели по доплеровскому сдвигу, но не способен напрямую измерять дальность. Импульсный радар периодически излучает короткие импульсы высокой мощности и улавливает эхо-сигналы между импульсами, напрямую рассчитывая дальность до цели по задержке между излучением и приемом сигнала. Основное различие заключается в временной структуре сигнала: радиолокатор непрерывного излучения “непрерывно передает сигнал и непрерывно принимает его”, тогда как импульсный радиолокатор “передаёт сигнал один раз, а затем принимает его”.”
Академик Мао Эрке однажды отметил, что основным противоречием в развитии радиолокационной техники всегда был баланс между “четким видением” и “точным измерением”. Разница между Радар CW а импульсный радар, по сути, представляет собой инженерное решение этого противоречия в условиях различных физических ограничений.
1. Радар с непрерывной волной: специалист по измерению скорости с непрерывным освещением
Передатчик радиолокатора непрерывного излучения работает в непрерывном режиме, без импульсных интервалов. Это означает, что сигналы передачи и приёма полностью перекрываются во времени, что требует использования физически разделённых антенн передачи и приёма — в противном случае сигнал передачи проник бы непосредственно в канал приёма и заглушил бы слабое эхо.
1.1 Принцип работы
Радар с боковым обзором определяет скорость цели путем измерения Допплеровский сдвиг между исходящим и принимаемым сигналами. Когда цель движется к радиолокатору, частота эхо-сигнала увеличивается; когда она удаляется — частота эхо-сигнала уменьшается. Путем вычисления кросс-корреляции двух сигналов и применения фильтра нижних частот можно выделить доплеровский сдвиг и оценить радиальную скорость цели.
Разрешение по скорости радиолокатора непрерывного излучения обратно пропорционально времени наблюдения T — чем дольше длится наблюдение, тем точнее измерение скорости.
1.2 Физическая причина невозможности измерения дальности
Немодулированный радиолокатор непрерывного излучения невозможно измерить дальность. Причина заключается в том, что передаваемый сигнал является непрерывным и не содержит временных маркеров, поэтому приемник не может определить, какому моменту времени передаваемого сигнала соответствует эхо. Отсутствие фазового эталона приводит к неоднозначности фазового сдвига эхо-сигнала для приемника, и из сигнала невозможно извлечь информацию о дальности.
Это ограничение определяет для традиционных радиолокационных станций непрерывного излучения весьма специфическую нишу применения: случаи, когда требуется только информация о скорости, а дальность не нужна. Типичными примерами применения этого принципа являются полицейские радары контроля скорости, датчики движения, охранные сигнализации и бесконтактные взрыватели.
1.3 Непрерывная волна с частотной модуляцией (FMCW): компенсация погрешности определения дальности
Чтобы сохранить преимущества непрерывного излучения (CW) и одновременно получить возможность определения дальности, в радиолокаторах с частотно-модулированным непрерывным излучением (FMCW) к передаваемому сигналу добавляется частотная модуляция. Путем передачи сигнала, частота которого линейно изменяется во времени, и сравнения разности частот между передаваемым и принимаемым сигналами можно одновременно рассчитать как дальность, так и скорость.
Основное преимущество Радар с модулированной частотой сигнала (FMCW) — это его крайне низкая пиковая мощность. Благодаря непрерывной передаче сигнала радар с непрерывной модуляцией частоты (FMCW) может обеспечивать сопоставимые характеристики обнаружения при стационарной мощности, на два–три порядка меньшей, чем у импульсного радара. Это делает радар FMCW основным выбором для автомобильных радаров, систем обхода препятствий в дронах и высокоточного обнаружения на ближнем расстоянии.
2. Импульсный радар: инженерная основа метода измерения расстояния по времени прохождения сигнала
Импульсный радар периодически излучает короткие импульсы высокой мощности и “прислушивается” к эхо-сигналам в промежутках между импульсами. Поскольку передача и приём сигналов разделены во времени, для обеих операций можно использовать одну антенну, при этом переключатель «передача-приём» обеспечивает защиту приёмника.
2.1 Принцип работы
Физический принцип определения расстояния с помощью импульсного радиолокатора чрезвычайно понятен: измерить задержка по времени разность между временем прохождения исходящего импульса и приходящего эха, умножить на скорость света и разделить на два — это и будет дальность до цели.
Основные эксплуатационные параметры импульсного радара следующие: ширина импульса и частота повторения импульсов (PRF) . Ширина импульса определяет разрешение по дальности — чем короче импульс, тем меньше минимальное расстояние между двумя различимыми целями. Частота повторения импульсов (PRF) определяет максимальную дальность однозначного обнаружения — более высокая частота PRF означает большее количество импульсов за единицу времени, но более короткий интервал между импульсами, поэтому эхо-сигналы от удаленных целей могут перепутаться с эхо-сигналами от следующего импульса.
2.2 Дилемма, связанная с шириной импульса
При проектировании импульсных радиолокаторов всегда возникает фундаментальное противоречие:
Короткие импульсы обеспечивают хорошее разрешение по дальности и минимальную дальность обнаружения, но имеют ограниченную мощность и низкую эффективность обнаружения на больших расстояниях. Длинные импульсы обеспечивают более высокую мощность и большую дальность обнаружения, но при этом снижают разрешение по дальности и увеличивают зону невидимости на ближнем расстоянии.
В инженерии это противоречие устраняется посредством сжатие импульса. Передается широкий импульс (обеспечивающий энергию), к которому применяется частотная или фазовая модуляция. При приеме с помощью адаптивной фильтрации широкий импульс сжимается до узкого (восстанавливая разрешение). Коэффициент сжатия равен произведению ширины импульса на полосу пропускания — импульс длительностью 100 микросекунд с полосой пропускания 10 МГц эквивалентен разрешению импульса 0,01 микросекунды.
2.3 Импульсный доплеровский радар: объединение измерения дальности и скорости
Импульсный радар также может измерять скорость цели с помощью эффекта Доплера. Импульсный доплеровский радар добавляет доплеровскую обработку к импульсной архитектуре, извлекая информацию о скорости путем анализа изменений фазы между последовательными эхо-импульсами.
Основной проблемой импульсно-допплеровского радара является компромисс между неоднозначностью дальности и неоднозначностью скорости. Низкая частота импульсов (PRF) обеспечивает большой однозначный диапазон дальности, но приводит к неоднозначности скорости; высокая частота импульсов (PRF) обеспечивает большую однозначную скорость, но приводит к неоднозначности дальности. В инженерии, разнесенный PRF или устранение неоднозначности при использовании нескольких PRF Эти методы, как правило, используются для обеспечения требований как к дальности, так и к скорости измерения.
3. Сравнение основных различий
| Размер | Радар непрерывного излучения (CW) | Импульсный радар |
|---|---|---|
| Структура сигнала | Непрерывная передача, без импульсных интервалов | Периодические короткие импульсы с паузами |
| Дальность действия | Нет (если только не используется частотная модуляция) | Прямое измерение временной задержки, высокая точность |
| Измерение скорости | Превосходное прямое допплеровское измерение | Требуется обработка данных импульсного допплера |
| Пиковая мощность | Низкий (достаточно мощности в режиме установившегося состояния) | Высокий (выделение энергии короткими импульсами) |
| Антенны для передачи/приёма | Должны быть физически разделены | Можно использовать совместно, требуется переключатель TR |
| Зона ограниченной видимости | Нет (непрерывный прием) | Имеется (невозможно принять во время импульса) |
| Типичные области применения | Радарные измерители скорости, датчики приближения, автомобильные радары с непрерывной волной (FMCW) | Поисковый радар, следящий радар, метеорологический радар |
4. Система принятия решений по выбору инженерных решений
Академик Мао Эрке в своих рассуждениях о развитии радиолокационной техники подчеркнул: “Радиолокационные системы, которые нам необходимо исследовать, — это не традиционные, отработанные до конца радиолокаторы и не простые копии передовых зарубежных образцов. Это должны быть радиолокаторы новой архитектуры, соответствующие законам развития радиолокационной техники и реальным потребностям”. Этот подход в равной степени применим к выбору между радиолокаторами непрерывного излучения (CW) и импульсными радиолокаторами — не существует “лучшей” архитектуры, есть только “более подходящее” решение.
Выбирайте импульсный радар в следующих случаях:
- Требуется точное измерение дальности (например, поисковый радиолокатор, радиолокатор слежения, метеорологический радиолокатор)
- Требуются данные как о дальности, так и о скорости (импульсный доплеровский радар)
- Требуется большая дальность обнаружения, что обусловливает необходимость высокой пиковой мощности
- Требуется функция «отслеживание во время сканирования» (TWS)
Выбирайте радар CW/FMCW в следующих случаях:
- Требуется только информация о скорости, а не о дальности (например, полицейские радары)
- Пиковая мощность строго ограничена (например, автомобильные радары, портативные устройства)
- Требуется чрезвычайно низкая вероятность перехвата и электромагнитных помех
- Высокоточное обнаружение на малых расстояниях с учетом размера и энергопотребления
5. Портфель решений STARDL для радиочастотного входного каскада обеих архитектур радиолокационных систем
Независимо от того, идет ли речь о радиолокаторах непрерывного излучения (CW) или импульсных, характеристики РЧ-блока входа являются основным фактором, определяющим возможности системы. Импульсные радиолокаторы требуют цепей передачи с высокой пиковой мощностью и защиты приемника с быстрым восстановлением; радиолокаторы непрерывного излучения требуют цепей приема со сверхнизким уровнем шума для извлечения слабых непрерывных эхо-сигналов. Ассортимент РЧ-блоков радиолокаторов компании STARDL удовлетворяет важнейшим требованиям обеих архитектур:
Цепочка передачи сигнала — силовые устройства на основе GaN – Суть импульсного радара заключается в передаче сигнала с высокой пиковой мощностью. Силовые устройства STARDL на основе GaN охватывают диапазон частот 0,5–8,0 ГГц с выходной мощностью до 100 Вт и более и оснащены предварительно согласованными сетями внутреннего импеданса, которые обеспечивают стабильную линейность в импульсном режиме работы. Высокая удельная мощность и быстрые характеристики переключения GaN делают его идеальным выбором для передатчиков импульсных радиолокационных систем.
Цепь приема – малошумящие усилители – Радиолокаторы с непрерывной модуляцией (CW) должны извлекать слабые сигналы эхо из сильного непрерывного утечки излучения, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к динамическому диапазону и коэффициенту шума приемной цепи. Усилители низкого шума (LNA) компании STARDL изготовлены по технологии GaAs и обеспечивают коэффициент шума на уровне всего 0,35 дБ при сохранении хорошей линейности.
Сигнальная цепь — интегральные схемы для радиочастотного и микроволнового диапазонов – Как сжатие импульсов в импульсных радарах, так и извлечение доплеровского сигнала в радарах непрерывного излучения предъявляют строгие требования к фазовому шуму и линейности РЧ-цепи входа. Микроволновые РЧ-интегральные схемы STARDL охватывают диапазон частот от постоянного тока до 50 ГГц — от смесителей до умножителей и фазосдвигателей — и обеспечивают комплексные решения для цепи обработки сигнала.
Системная интеграция — модули приёма/передачи – Будь то импульсные фазированные антенные решетки с модулями приёма-передачи или многоканальные решетки приёма непрерывного излучения, интеграция с высокой плотностью представляет собой сложную инженерную задачу. Опыт компании STARDL в области модулей приёма-передачи обеспечивает надёжную аппаратную основу для обеих архитектур радиолокационных систем.
Реальность инженерного дела
Основное различие между радиолокаторами непрерывного излучения (CW) и импульсными радиолокаторами заключается в временной структуре сигнала: радиолокаторы непрерывного излучения “непрерывно излучают”, а импульсные радиолокаторы “излучают один раз, а затем прислушиваются”. Это различие определяет разницу в дальности измерения, требованиях к пиковой мощности и сферах применения.
Радар непрерывного излучения (CW) обеспечивает точное измерение скорости при чрезвычайно низкой пиковой мощности, но не может напрямую измерять дальность. Импульсный радар обеспечивает возможность прямого измерения дальности за счет высокой пиковой мощности, но сталкивается с дилеммой выбора между шириной импульса и разрешением. Радар с непрерывной частотной модуляцией (FMCW), являясь усовершенствованной версией радара с непрерывной волной, компенсирует недостаток в определении дальности за счет частотной модуляции и стал основным решением в сценариях высокоточного измерения на короткие расстояния.
Выбор архитектуры зависит от требований миссии: нужна ли информация о дальности или скорости? Существуют ли ограничения по пиковой мощности? Какая дальность обнаружения требуется? Понимание этих физических ограничений превращает выбор из простого сравнения “что более совершенное” в систематическую оценку “что более подходит для данной миссии”.”
Ассортимент радиочастотных входных блоков для радиолокационных систем компании STARDL — от силовых устройств на основе GaN до малошумящих усилителей, от радиочастотных микросхем до модулей приёма-передачи — обеспечивает полную аппаратную поддержку как для радиолокационных систем непрерывного излучения, так и для импульсных.
