Измерение расстояния

 Расстояние измеряется с помощью закона о времени распространения сигнала и данными о разнице времени между переданным и принятым сигналом. Ниже приведена дополнительная информация о некоторых формах радиочастотных сигналов, широко используемых в системах радиолокации.

Импульсные радиолокационные системы

Форма сигнала для измерения расстояния — одиночный импульс, который посылается радиолокатором, отражается от объекта и принимается обратно. Зная  время распространения переданного сигнала τ, расстояние R можно найти по формуле 1, где с – скорость света.

Формула 1

На рисунке рисунке 2 изображен общий принцип работы импульсной радилокационной системы, использующей длительность импульса Tp и период повторения импульсов Tr  (синим цветом на рисунке изображен передаваемый сигнал, зеленым — принимаемый)  .

Рисунок 2

Радиолокационные системы обладают следующими характеристиками для каждого измеряемого диапазона частот: разрешение, точность и неопределённость. Разрешение по расстоянию  ΔR – это минимальная разность между расстояниями до двух целей, при которой радиолокационная система будет различать эти цели. Если цели буду располагаться на расстоянии меньшем, чем ΔR, радиолокационная система не сможет их корректно распознать, так как отражённые от них сигналы будут накладываться друг на друга, как показано на рисунке 3 (синим цветом на рисунке изображён передаваемый сигнал, зеленым — принимаемый). Два отражённых сигнала Pr1, Pr2 накладываются друг на друга, и радиолокационная система распознает или более сильный сигнал или комбинацию двух сигналов. Отраженные сигналы Pr3, Pr4 будут распознаны как две отдельные цели.

Рисунок 3

Разрешение по расстоянию зависит от длительности одиночного импульса Tp ( в соответствии  с формулой 2). Системы, использующие очень короткие импульсы имеют высокое разрешение по дальности, но требуют широкой полосы пропускания.

Формула 2

Точность измерения расстояния зависит от соотношения сигнал/шум отражённого сигнала, а диапазон действия Rmax описывает максимальное расстояние, на котором  радиолокационная система сможет обнаружить объект. Если при последовательной передаче одинаковых сигналов, отраженные сигналы не попадают в соответствующего временные приемные периоды, то их нельзя использовать для импульсной синхронизации. Максимальный диапазон действия импульсной радиолокационной системы зависит от периода повторения импульсов Tr (формула 3).

Формула 3

Импульсные компрессионные радиолокационные системы

Кроме частоты повторения импульсов, на  максимальную дальность радиолокационных систем влияет средняя мощность передачи. Используя заданную частоту повторения импульсов (PRF — Pulse Repetition Frequency), максимальную дальность можно увеличить c помощью увеличения мощности передачи. Однако рост мощности передатчика приводит к увеличению нагрузки на аппаратную часть. Радиолокаторы, использующие для передачи импульсов высокую мощность, демаскируют свое местоположение. Альтернатива для увеличения мощности — увеличение длительности импульса. Но это снижает разрешение по расстоянию. Используя методы сжатия импульса, можно увеличить длительность импульса, а значит и среднюю мощность передачи и максимальную дальность за счет использования преимуществ коротких импульсов и высокого разрешения [1].

Рисунок 4

В этом случае радиочастотный сигнал с необходимым временем передачи формируется с помощью модуляции по частоте или фазе (сигнал с высокой пропускной способностью), что приведено на рисунке 4. Автоматическое сжатие отраженного сигнала выполняет согласованный фильтр (MF — Matched Filter). Например, в случае линейного частотно модулированного сигнала, согласованный фильтр пропускает низкие частоты с меньшей скоростью, чем высокие. Это приводит к интерференции сигналов на выходе из фильтра и к увеличению соотношения сигнал/шум (SNR — Signal-to-Noise Ratio). В случае использования сжатия импульса, максимальное расстояние можно увеличить за счет увеличения длительности передачи без изменения разрешения по расстоянию. Важно отметить, что импульсные компрессионные радиолокационные системы (т.е те, которые используют сжатие импульса) более устойчивы к помехам за счет того, что согласованный фильтр увеличивает соотношение сигнал/шум.

Отрицательные стороны — это увеличение мертвой зоны радиолокационной системы из-за более длительных импульсов, т.к. приемник радиолокационной системы не работает во время передачи и сигналы, отраженные от целей на малых расстояниях не могут быть приняты. К тому же, боковые лепестки диаграммы направленности, сопутствующие сжатому сигналу на выходе из согласованного фильтра, могут скрывать маломощные отраженные сигналы или приводить к неопределенности. Искажение временной задержки и доплеровской частоты отраженного сигнала описывается функцией неопределенности, которая зависит от свойств импульса и согласованного фильтра.

Ссылки

1. 1.LUDLOFF, Albrecht K.: Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg+Teubner Verlag; Version 4., October 2009, ISBN — 9783834805973
2. 2.MEINECKE, Marc-Michael: Zum optimierten Sendesignalentwurf für Automobilradare, Shaker Verlag GmbH, August 2001. – ISBN 9783826592232
3. 3.ROHLING, Hermann; MOELLER, Christof: Radar waveform for automotive radar systems and applications, Radar Conference, 2008. RADAR ’08. IEEE , vol., no., pp.1,4, 26-30 May 2008
4. 4.ROHLING, Hermann; MEINECKE, Marc-Michael; HEUEL, Steffen; HAEKLI, Janne; NUMMILA, Kaj; HEUER, Michael: Objectives of the ARTRAC initiative in active pedestrian safety, Radar Symposium (IRS), 2013 14th International , vol.2, no., pp.726,731, 19-21 June 2013
5. 5.SCHROEDER, Christoph: System Design of an Array Antenna Radar with a Rapid Chirp Waveform, Shaker Verlag GmbH, Germany; March 2013. ISBN — 9783844016666
6. 6.SKOLNIK, Merrill I.: Introduction of Radar Systems, McGraw-Hill Inc., ISBN — 978007118189, 1962
7. 7.BUES, Roland; MINIHOLD, Roland: Overview of Tests on Radar Systems and Components, Rohde & Schwarz Application Note Nr. 1MA127_2e, 2012
8. 8.MINIHOLD, Roland; BUES, Dieter: Introduction to Radar system and Component Tests, Rohde & Schwarz White Paper Nr. 1MA207-1e, 2013

Источники

• https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma239/1MA239_1e_Radar_Waveforms_AD_Autom.pdf

Материал предназначен для использования в образовательных целях