Radar monopulso

El radar monopulso es un método de medición de las coordenadas angulares de un objeto por una estación de radar (RLS), basado en el uso de la dependencia de la amplitud o fase de las señales reflejadas por él, recibidas simultáneamente a través de varios canales espaciales, en la dirección de llegada de onda y, por tanto, se denomina de forma diferente multicanal. El nombre histórico del método refleja su capacidad para determinar la dirección de un objeto a partir de un solo pulso, aunque la determinación de la dirección se puede realizar de manera similar con la ayuda de un radar de onda continua. La principal ventaja sobre los métodos de radar de un solo canal basados en la exploración cónica o el procesamiento secuencial de varios pulsos recibidos es una mayor precisión de medición.

Historia

El radar monopulso se construyó por primera vez bajo la dirección del físico estadounidense Robert Morris Page en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) en 1943. Caro, lento y poco confiable, el dispositivo se usó solo cuando se requería precisión de radiogoniometría, lo que justificaba su costo. Los radares monopulso se usaron más tarde para guiar el misil Nike Ajax MIM-3 , que requería una precisión de guía de comando muy alta. Para la localización semiactiva de un misil, el método de monopulso se utilizó por primera vez en el misil de defensa aérea MIM-23B HAWK . Los radares monopulso desempeñaron un papel importante para las naves espaciales, se utilizaron en el sistema de control de incendios del sistema de misiles antiaéreos a bordo de barcos Mk 74 Tartar .

En la URSS, el radar monopulso se utilizó, por ejemplo, en la localización del misil de combate aéreo R-23R , para proporcionar comunicación con los relés de satélite Altair y para controlar el vuelo de la estación orbital Mir , en 1988, para proporcionar comunicación durante el vuelo del orbitador Buran » [1] . La precisión de apuntar la antena al satélite repetidor fue de 20'. La antena apuntando al satélite repetidor en una amplia gama de ángulos se proporcionó mediante el uso de un buscador de dirección de etapas múltiples.

Tipos de sistemas monopulso

Los elementos principales de los radares monopulso son el sensor de ángulo y el discriminador de ángulo. El sensor angular está diseñado para extraer información angular de la señal recibida y, dependiendo del método de radiogoniometría, puede ser de 3 tipos: amplitud, fase o amplitud-fase. El discriminador de ángulo compara las señales recibidas por los canales del sensor de ángulo. Según el tipo de parámetro informativo utilizado en el mismo, también se distinguen 3 tipos de discriminadores: amplitud, fase y suma-diferencia. Dependiendo de la combinación de tipos de sensor de ángulo y discriminador de ángulo, son posibles 9 clases de sistemas monopulso diferentes. Los más utilizados en la práctica son 4 de ellos: amplitud-amplitud, fase-fase, suma-diferencia de amplitud y suma-diferencia de fase.

El proceso de determinación de la posición angular del blanco en el discriminador angular se reduce a extraer una función real de la relación de señales en los canales del receptor, que está únicamente relacionada con el ángulo de llegada del frente de onda. Esta función se denomina característica de búsqueda de dirección. Para determinar con éxito la dirección hacia el objetivo, debe cumplir las siguientes condiciones: ${\ estilo de visualización S (\ theta)}$

ser una función impar del ángulo de llegada de la señal;
tener linealidad para pequeñas desviaciones del objetivo de la dirección de equiseñal (dicha dirección, recibir una señal desde la cual provoca señales idénticas en los canales del sensor de ángulo). Al mismo tiempo, para una descripción cuantitativa de la tasa de cambio de la señal a la salida del discriminador, se introduce el concepto de inclinación de la característica de radiogoniometría:

\mu =\left\vert {\frac {dS(\theta )}{d\theta }}\right\vert _{\theta =0}

. La inclinación determina la sensibilidad de búsqueda de dirección del sistema: cuanto mayor sea el valor de μ, menor será el valor de la desviación angular del objetivo que se puede registrar.

Según el tipo de discriminador de ángulo, la función multiplicativa del ángulo se puede utilizar para formar la característica de radiogoniometría.

r(\theta )={\frac {{\hat {E}}_{1}(\theta )}{{\hat {E}}_{2}(\theta )))

(para discriminador de amplitud o fase)

o aditivo

r(\theta )={\frac {{\hat {E}}_{1}(\theta )-{\hat {E}}_{2}(\theta )}{{\hat { E}}_{1}(\theta )+{\hat {E}}_{2}(\theta )))

(para el discriminador de suma-diferencia),

dónde

{\sombrero {E}}_{1}(\theta )

, son las amplitudes complejas de las señales en las salidas de los canales del sensor de ángulo.

{\sombrero {E}}_{2}(\theta )

El número de canales de recepción de un sistema monopulso está determinado por el número de señales procesadas simultáneamente y es igual a 2 para radiogoniometría en un plano. Para radiogoniometría en 2 planos, el número de canales puede ser 3 (para sistemas de suma-diferencia). - uno total y dos de diferencia) o 4.

Sistemas de radiogoniometría de amplitud

En cada plano de coordenadas de dicho sistema, se forman 2 haces, desviados de la dirección de la señal equivalente en un ángulo . $\ theta _ {0}$

Deje que la señal reflejada del objetivo llegue a la entrada del sistema.

{\sombrero {E}}(t)=E_{m}e^{i{\omega }t}

entonces, cuando el objetivo se desvía de la dirección de la equiseñal en el ángulo θ, las señales recibidas por los haces estarán determinadas por las expresiones:

{\hat {E}}_{1}(t,\theta )=E_{m}F(\theta _{0}-\theta )e^{i{\omega }t}

{\hat {E}}_{2}(t,\theta )=E_{m}F(\theta _{0}+\theta )e^{i{\omega }t}

dónde

{\ estilo de visualización F (\ theta)}

es el valor del patrón de antena.

Cuando el objetivo está en la dirección de la equiseñal, los valores de la señal serán los mismos.

Sistema amplitud-amplitud

En el sistema de amplitud-amplitud, cada haz tiene su propio canal de recepción independiente. Un rasgo característico de dicho sistema es la presencia de amplificadores logarítmicos en la ruta del receptor.

Después de la conversión de frecuencia, la amplificación de frecuencia intermedia y la detección de amplitud, las señales a la salida de los canales se verán como:

u_{1}(\theta )=\ln[k_{1}E_{m}F(\theta _{0}-\theta )]

u_{2}(\theta )=\ln[k_{2}E_{m}F(\theta _{0}+\theta )]

donde , son los coeficientes de transferencia del canal. $k_{1}$ $k_{2}$

El discriminador angular es un esquema de sustracción, cuya salida es:

S(\theta )=\ln {\frac {k_{2}F(\theta _{0}+\theta )}{k_{1}F(\theta _{0}-\theta )} }

Con la identidad de los canales de recepción ( ), la linealidad de la característica de radiogoniometría y la pequeñez de la desviación angular del objetivo $k_{1}=k_{2}$

S(\theta ){\approx }\ln {\frac {1+\mu \theta }{1-\mu \theta }}{\approx }2\mu \theta

Así, la diferencia en las amplitudes de las señales recibidas determina únicamente el ángulo de desviación del objetivo desde la dirección de la equiseñal, y el signo de esta diferencia caracteriza la dirección del desplazamiento del objetivo con respecto a la dirección de la equiseñal.

La desventaja de tal sistema es la necesidad de mantener una alta identidad de las características de amplitud logarítmica en los canales.

Sistema de suma-diferencia de amplitudes

Un rasgo característico de los sistemas de suma-diferencia es la formación de las señales de suma y diferencia utilizando una guía de ondas o un convertidor de microstrip. Las señales a la salida de dicho convertidor en las condiciones de linealidad de la característica de radiogoniometría y la pequeñez de la desviación angular del objetivo tienen la forma:

{\displaystyle {\hat {u}}_{\Sigma }(t,\theta )={\hat {E}}_{1}(t,\theta )+{\hat {E}}_{2 }(t,\theta){\approx }E_{m}F(\theta _{0})e^{i{\omega }t))

{\displaystyle {\hat {u}}_{\Delta }(t,\theta )={\hat {E}}_{1}(t,\theta )-{\hat {E}}_{2 }(t,\theta ){\approx }E_{m}F(\theta _{0})\mu {\theta }e^{i{\omega }t))

La señal total se utiliza como referencia al normalizar la señal de diferencia. La normalización permite eliminar la influencia de las fluctuaciones temporales de la señal en el resultado final. Además, la señal total se utiliza al detectar un objetivo en el contexto de la interferencia, determinando su alcance y velocidad.

El detector de fase actúa como un discriminador angular, cuya señal de salida es

S(\theta )={\frac ((\hat {u))_{\Delta ))({\hat {u))_{\Sigma ))}{\approx }\mu \theta

El discriminador angular de suma-diferencia exige menos la identidad de las características de los canales de recepción y, por lo tanto, se usa más ampliamente.

El sistema de suma-diferencia de amplitud de tres canales que contiene dos canales de diferencia (para los planos de radiogoniometría azimutal y de elevación, respectivamente) y uno total, común para ambos planos, es el más utilizado.

Sistemas con búsqueda de dirección de fase

Con la búsqueda de dirección de fase, la dirección hacia el objetivo se determina comparando las fases de las señales recibidas por las dos antenas. Dado que la distancia entre las antenas es mucho menor que la distancia al objetivo, las señales recibidas por las antenas son casi iguales en amplitud, pero difieren en fase si el objetivo no está en la misma dirección de la señal, debido a la diferencia en la ruta. de los rayos

\Delta \varphi ={\frac {2{\pi }d\sin \theta }{\lambda }}

dónde

d es la distancia entre las antenas, θ es el ángulo entre la dirección de la equiseñal y la línea de visión del objetivo, λ es la longitud de onda.

Las siguientes señales aparecerán en las salidas de los canales del sensor de ángulo:

E_{1}(t,\theta )=E_{m}F(\theta )e^{i({\omega }t+{\tfrac {\Delta \varphi }{2))))

E_{2}(t,\theta )=E_{m}F(\theta )e^{i({\omega }t-{\tfrac {\Delta \varphi }{2))))

. Sistema fase-fase

Después de convertir la señal en uno de los canales, que consiste en agregar un cambio de fase para garantizar que la señal de salida sea igual a cero cuando la dirección de la equiseñal se combina con la dirección al objetivo, el discriminador angular en forma de detector de fase forma una función multiplicativa de las señales de los canales del receptor, realizando su multiplicación y promediación. A la salida, la señal es la siguiente (hasta un factor constante): ${\ frac {\ pi} {2}}$

S(\theta )\thicksim \sin \Delta \varphi =\sin {\frac {2{\pi }d\sin \theta }{\lambda ))

es decir, para pequeñas desviaciones del objetivo de la dirección de la equiseñal, es proporcional a esta desviación.

La desventaja del discriminador de ángulo de fase es la gran dependencia de la precisión de radiogoniometría del grado de identidad de las características de fase de los canales del receptor y su estabilidad.

Sistema de suma-diferencia de fase

Las transformaciones realizadas en el sistema de suma-diferencia de fase sobre las señales de salida de las antenas se reducen primero a obtener las señales de suma y diferencia por analogía con el sistema de suma-diferencia de amplitud, luego a realizar sobre ellas operaciones similares a las realizadas en el sistema de fase -Sistema de fase en las señales de los canales de recepción. A la salida del detector de fase, hasta un factor constante, se obtiene lo siguiente:

S(\theta ){\thicksim }tg{\frac {\Delta \varphi }{2))=tg{\frac {{\pi }d\sin \theta }{\lambda ))

Antenas para sistemas monopulso

Como antenas se pueden utilizar conjuntos de antenas parabólicas, de lentes, espirales y en fase.

En los sistemas de suma-diferencia, para obtener las señales de suma y diferencia, se utiliza un irradiador que forma la distribución amplitud-fase requerida del campo para irradiar la apertura de la antena durante la transmisión y los patrones de recepción necesarios en cada uno de los canales. Se pueden utilizar irradiadores de vibrador de guía de ondas ranurados [2] de bocina. La más simple es una alimentación de 4 bocinas, que proporciona la adición en fase de las señales de todas las bocinas durante la formación de la señal total y la antifase para los pares de bocinas superior-inferior e izquierda-derecha durante la formación de la diferencia. Sus desventajas son la baja sensibilidad de búsqueda de dirección debido al amplio patrón de radiación del irradiador y los lóbulos laterales altos. Un desarrollo adicional de la alimentación de 4 bocinas son las alimentaciones de 8 y 12 bocinas. En ellos, la señal total todavía está formada por las mismas cuatro bocinas centrales, y se agregan pares de bocinas laterales adicionales para obtener las señales de diferencia. También se utilizan irradiadores de bocina de guía de ondas con el uso de varios tipos de ondas: irradiadores de ondas múltiples. El irradiador más simple de este tipo es una T de doble guía de ondas enrollada en un plano magnético.

En conjuntos de antenas en fase con alimentación de alimentador, los circuitos de formación de haces se utilizan para formar patrones parciales.

Beneficios

En los sistemas de escaneo cónico, la precisión de apuntar el objetivo en ángulo es del orden de 0,1 grados, los radares monopulso mejoran la precisión en un factor de 10 y los radares avanzados como el AN/FPS-16 logran una precisión de hasta 0,006 grados. Esta precisión corresponde a unos 10 m a una distancia de 100 km. Para suprimir dicho sistema, la señal de interferencia debe repetir la polarización de la señal, así como el momento de su emisión, lo cual es bastante difícil.

A diferencia de los radares de barrido cónico, en los que el haz escanea tanto la transmisión como la recepción, lo que provoca una doble modulación de amplitud parásita, en los radares monopulso, la dirección hacia el objetivo está completamente determinada por el patrón de radiación receptor, mientras que el transmisor sigue siendo el mismo. de uno convencional localizador de impulsos. También le permite aumentar la potencia de la señal radiada en la dirección de la equiseñal.

Aplicación

Hasta la fecha, debido a la disminución del costo y al aumento de la confiabilidad de los sistemas de radar monopulso, se utilizan en la mayoría de los radares de seguimiento modernos (MSRL Aurora [3] , SVK [4] , Krona [5] , estaciones de seguimiento de Crotal complejos [6] , Roland [7] , Patriot [8] , S-300 [9] [10] , S-400 [11] , Buk [12] , Tor [13] , Tor-M1 [14] , Shell [15] , Zoo [16 ] ] , Shahine [17] , Skyguard-Sparrow [18] , AN/FPQ-6, AN/TPQ-18, AN/MPS-36 [19] radares de seguimiento terrestres ) y para homing muchos tipos de misiles.

Literatura

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Gran enciclopedia soviética. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
V. E. Vishnekov, V. G. Kravets, Perspectivas para el uso de la experiencia de desarrollo y operación del sistema de comunicación con la estación Mir y la nave espacial Buran para el segmento ruso de la Estación Espacial Internacional. Revista “Técnicas y Tecnologías Espaciales” N° 3/2013.
Rocket and Space Corporation Energia lleva el nombre de SP Korolev. A la vuelta de dos siglos. 1996-2001 / Korolev: RSC Energía, 2001.

Notas

↑ Nave orbital reutilizable Buran / Editado por Yu. P. Semenov, G. E. Lozino-Lozinsky, V. L. Lapygin y V. A. Timchenko: Mashinostroenie, 1995.
↑ Antena monopulso de radiador de bocina
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↑ Manual de radar / Ed. MI. Skolnik. En 2 libros. Libro 1. - M. : Technosfera, 2014. - S. 439-466. — 672 pág. — ISBN 978-5-94836-381-3 .

diccionarios y enciclopedias	gran chino Britannica (en línea)