Universidade de Vigo Departamento de Teoría do Sinal e Comunicacións Apuntes de Radar

Tema 2: Elementos de un radar• Conceptos fundamentales• Diagrama de bloques de un radar pulsado• Transmisores• Duplexores• Antenas• Receptores• Procesado de la información• Presentación de datos

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Parámetros fundamentales• Duración del pulso: τ• Período de repetición de pulsos: T• Frecuencia de repetición de pulsos: PRF• Ciclo de trabajo: τ/T

tτ

T = 1/PRF

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Información proporcionada por un radar• Distancia al blanco: medida del retardo de propagación de ida y vuelta

t

R

τ

T0

0 2ctR =

0R

t0

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Información proporcionada por un radar• Detección del blanco: en función del nivel de señal recibida

t

R

τ

T

t0

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Información proporcionada por un radar• Dirección del blanco

2D → (R, φ), 3D → (R, φ, θ)

3 3dB dBθ φ 3 3dB dBθ φ∼

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Información proporcionada por un radar• Velocidad del blanco:

– A partir de sucesivas medidas de la posición (filtros de predicción)– Mediante el efecto Doppler se puede conocer la componente radial vr de la

velocidad instantánea del blanco

RADAR

v

rv

α

cosrv v α=

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Efecto doppler

0t t=0 0t t T= +

0R R=1R R=0R =

A B A B

0t 0 0t T+ 1t 2t

0 0R v t Rt tc c v− ∆∆ = ⇒ ∆ =

+

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Efecto doppler (2)

01 0

' 0 10 0 0

12 0 0

21 /2

2 1 /

Rt tR R v cc v T T T

R c v v ct t Tc v

= + − − + ⇒ = − = + + = + ++

2

2

1 / 2 2 2' 11 /

v c v v vf f f fv c c c λ

+ = = + + + + −

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Ambigüedad en distancia

t

R

τ

T

blanco ambiguo

blanco falso

pulsos transmitidos pulso recibido

Rreal

Raparente

max 2cTR =

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Resolución en distancia y distancia mínima

R

τ

R2

R12cR τ∆ =

En la práctica, Rmin es mayor debido a los retardos de conmutación entre transmisión y recepción

min 2cR τ=

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Resolución angular

RADAR

Diagrama real

Diagrama aproximado

max max 3dB 2( )

0 en el resto G

Gφ φ φ

φ − <

=

Para un radar 2D (R, φ) se puede definir la superficie de error como:

3dBS R Rε ϕ= ∆

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Número de ecos por blanco

(a) Radares de exploración:

Tiempo efectivo de iluminación:

Número de ecos por barrido:

Aumentar n equivale a mejorar la probabilidad de detección. Para ello es necesario:

– Aumentar φ3dB, lo que implica una pérdida de resolución angular– Aumentar la PRF, lo que se traduce en una disminución de la distancia máxima

no ambigua– Disminuir Ω, lo que se traduce en aumentar el tiempo de refresco de la

información.

dBot

φ3=Ω

dBo

PRFn t PRF φ3= ⋅ =Ω

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Número de ecos por blanco

Ω

t

maxG

max

2G

to

t

maxG

to

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Número de ecos por blanco

(b) Radares de seguimiento:

la antena ilumina el blanco en todo momento, por lo que el número de ecos del blanco no está tan condicionado como en el caso anterior. Sin embargo, la necesidad de renovar la información limita el número de pulsos considerados a:

donde Vi es la velocidad de refresco de la información

in V PRF= ⋅

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Ejemplos

IB 790 32000

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Ejemplos

IB 790 32000

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Diagrama de bloques de un radar pulsadoDUPLEXOR interruptor que permite compartir la antena para transmisión y recepciónTRANSMISOR genera y amplifica la señal de microondasLNA amplifica la señal recibida sin incrementar de forma significativa el nivel de ruidoMEZCLADOR traslada la señal de radiofrecuencia a frecuencia intermediaFILTRO ADAPTADO “extrae” la señal del ruidoAMPLIFICADOR FI amplifica la señal de FIDETECTOR traslada la señal de FI a banda base (videofrecuencia)AMP. DE VIDEO adapta el nivel de señal de video para su presentación en pantallaPANTALLA presenta de forma gráfica la señal radar para su interpretación por parte del operador

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Transmisores• Parámetros característicos

– Potencia media y de pico– Ancho de banda de trabajo– Ancho de banda instantáneo– Estabilidad a corto (ruido de fase) y largo plazo– Nivel máximo de espúreos y armónicos– Espectro de la señal útil transmitida– Forma de los pulsos: tiempo de subida/bajada– Rendimiento: η = PRF / PDC (%)– Tipo de fuente de alimentación– Peso, volumen, etc.

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Transmisores (2)• Estructuras:

– Modulación a alto nivel

– Modulación a bajo nivel (MOPA)

Fuente de alimentación

Modulador a alto nivel

Generador de forma de onda

Oscilador de alta potencia Antena

Receptor

Modulador a bajo nivel

Generador de forma de onda

amplificador de potencia Antena

Receptor

~Fuente de

alimentación

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Transmisores (3)• Fuentes de señal

– Fuentes de estado sólido• Ciclo de trabajo elevado u onda continua• Combinación espacial• Ejemplo:

– Banda S– amplificador clase C – Transistor bipolar – τ = 50 µs– Ciclo de trabajo: 10% – Alimentación VS=40 V– Potencia de pico: 100 W– Ganancia: 6.5 dB– Eficiencia: 35%

T/R

T/R

T/R

T/R

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Transmisores (4)• Tubos de vacío

– Osciladores• Magnetrón

– Amplificadores• Klystron• Tubo de ondas progresivas (TWT)• Amplificador de campos cruzados (CFA)

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Transmisores (5)

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Transmisores (6)• Moduladores: de línea pulsante (alto nivel)

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Lineas de transmisión• Guías de onda

– Guía rectangular• Modo TE10• Mínima sección para una frecuencia dada

– Mínima atenuación– Capacidad de transporte de potencias elevadas– Necesidad de presurización (onda estacionaria)

• Mantiene la guía limpia y libre de humedad • Eleva la tensión umbral de formación de arcos

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Elementos de interconexión

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Duplexores• Circuladores: permiten una atenuación de 20 – 60 dB

• Duplexor de estado sólido con circuladores:

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Duplexores• Duplexores con células de descarga de gas

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Antenas• Parámetros característicos

– Diagrama de radiación– Ancho de haz– Nivel de lóbulos secundarios– Ganancia directiva– Ganancia de potencia– Polarización– Potencia máxima– Ancho de banda– Impedancia de entrada

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Antenas de radar• Ancho de haz (2D/3D)• Nivel de lóbulos secundarios• Eficiencia• Polarización

– Horizontal exploración– Vertical seguimiento– Circular presencia de lluvia

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Diagrama cosecante al cuadradoAsumiendo que la potencia recibida de un blanco puede expresarse como*

Radar

R( )G θ

h cte=

2

4

( )R

GP cteR

θ∝ =

cscsen

hR h θθ

=

2 ( ) csc G kθ θ=

2

4

( )R

GPR

θ∝

(*) La explicación se verá en el capítulo III: Ecuación de alcance radar

1) Reducción del margen dinámico de la señal recibida

2) Sensibilidad constante (en términos de RCS)*

angulo de elevacionθ =

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Antena de exploración en frecuencia

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Diagrama monopulso

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Cálculo de la función de error

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Diagrama monopulso en acimut y elevación

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Antena monopulso

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Supresión de lóbulos laterales• Borrador de lóbulos laterales • Cancelador coherente de lóbulos laterales

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Supresión de lóbulos laterales

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Receptores• Parámetros característicos

– Sensibilidad: mínimo nivel de señal que permite un funcionamiento correcto, en base a una relación S/N necesaria para garantizar las características operativas. Parámetros relacionados:

• Mínima señal detectable (MDS): señal a la entrada del receptor que produce a la salida una S/N = 0 dB

• Sensibilidad tangencial (TSS): señal pulsada a la entrada del receptor que produce a la salida una señal tangente al ruido. Se corresponde con una S/N = 8 dB.

• Se optimiza mediante amplificadores de bajo nivel de ruido (LNAs) y filtros adaptados

– Factor de ruido: / )/ )

inn

out

S NFS N

=

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Receptores• Parámetros característicos

– Selectividad: ancho de banda instantáneo. Dado que:

Entonces:

– Banda de trabajo– Margen dinámico: sensibilidad → saturación

• Se mejora mediante el empleo de circuitos GTC (control de ganancia en el tiempo)

– Rechazo a frecuencia imagen

1Bτ

∝

12cR B

Bτ∆ = ∝ ⇒ ↑↑

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Receptores• Estructuras

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Receptores• Estructuras

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Receptores• Estructuras (coherentes)

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Receptores• Mezcladores

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Receptores• Mezcladores

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Receptores• Detectores

– Detector óptimo (máxima verosimilitud)

y = tensión a la salida del detectora = amplitud de la sinusoide dividida por la tensión eficaz de ruidov = amplitud de la envolvente de la señal de FI dividida por la

tensión eficaz de ruidoI0 () = función modificada de Bessel de orden cero

– Aproximación para S/N elevada (detector lineal)

– Aproximación para S/N baja (detector cuadrático)

0ln I ( )y av=

2 /S N

y av≈

( )2

4av

y ≈

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Receptores• Otros detectores

– Detector logarítmico:

– Detector coherente

– Detector síncrono

logy k v=

Mezclador

~

FI IVideo

Mezclador

~

FI IVideo

90°

Mezclador Q

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Receptores• Procesado de la información

– Procesador de señal• MTI• Procesador doppler• CFAR• Compresión de pulsos

– Extractor de datos: calcula la distancia, dirección, velocidad, etc. de los ecos recibidos (plots)

– Procesador de datos: genera las pistas (o trazas) a partir de los plots. • Filtro de seguimiento discontínuo• Alarmas de colisión• Etc.

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Presentación de datos: tipos de pantallas

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Presentación de datos: PPI