Welche Leistungsbeschränkungen sollte das gechirpte Radar überwinden?

Chirped Pulse Amplification (CPA) ist eine Optik-Technik, die mit dem Nobelpreis für Physik 2018 ausgezeichnet wurde und zur Erzeugung kurzer Laserpulse mit einer Intensität verwendet wird, die hoch genug ist, dass sich das Verstärkungsmedium durch nichtlineare Phänomene selbst zerstören würde, wenn es versucht, die zu verstärken Puls direkt, indem der Verstärker zwischen einem Puls-Stretcher und einem Kompressor eingeklemmt wird.

In der Optik ist es allgemein üblich, dass die Technik ursprünglich für die Verstärkung von Radarsignalen entwickelt wurde, die irgendwo in den Anfängen der Elektronikgeschichte liegen. Wenn Sie einen zerbrechlichen Röhrenverstärker oder so etwas haben, können Sie den austauschen optische Beugungsgitter für entsprechend dispersive Mikrowellenwellenleiter oder was auch immer sie in den sechziger Jahren verwendeten, und es würde Wunder wirken, um empfindliche Elektronik vor dem Braten zu schützen.

Um über dieses vage Verständnis hinauszugehen, habe ich versucht, genau zu untersuchen, welche Probleme der Radarverstärkung das Ziel der ursprünglichen Streck-Verstärkungs-Kompressions-Arbeit waren (ich bin mir nicht sicher, ob der Name CPA bereits während seiner Entwicklung verwendet wurde) (auch wenn es wirklich verwendet wird, um solche Systeme in einem Elektronikkontext zu beschreiben), wofür es in der Elektronik verwendet wurde, als es 1985 den Sprung zur Optik machte, und allgemeiner, wie die Geschichte seiner Entwicklung ist. Es gibt jedoch ein paar Ecken und Kanten, bei denen ich mir nicht so sicher bin, und ich hoffe, dass diese SE ein guter Ort ist, um nach ihnen zu fragen.

Das Original-CPA-Papier,

Komprimierung verstärkter gechirpter optischer Impulse. D. Strickland und G. Mourou. Optics Comms. 55 , 447 (1985) .

erkennt an, dass die Technik mit den damals bereits im Radar verwendeten Lösungen vergleichbar ist, und schickt den Leser zu einer anfängerfreundlichen Überprüfung in

Phased-Array-Radargeräte. E. Brookner. Scientific American 252 , Februar 1985, S. 94-102. .

Dies ist jedoch eine bibliografische Sackgasse, da es keine Referenzen gibt. Insbesondere beeindruckt mich die Tatsache, dass die Techniken erhebliche Unterschiede aufweisen.

• In der Optik wollen wir einen kurzen Puls haben und wir wollen ihn stark machen. Dies ermöglicht es uns dann, nichtlineare optische Phänomene zu untersuchen, die einige ziemlich extreme Grade erreichen können . Dies bedeutet, dass wir den Puls komprimieren müssen, bevor wir ihn verwenden, um das zu tun, worauf wir Lust haben.

• In Stricklands und Brookners Beschreibung ist andererseits klar, dass es der Elektronik nur wirklich darum geht, den Puls unmittelbar vor seiner endgültigen Analyse zu komprimieren, und dass das System vollkommen zufrieden ist, den unkomprimierten Puls auszustrahlen, um mit irgendwelchen Ebenen oder Grapefruits zu interagieren Metallische Objekte in der Größe sind da draußen und machen die Komprimierung danach.

Diese Ansicht wird durch einen zugänglicheren Rochester-Bericht unterstrichen.

LLE Review , Quartalsbericht, Oktober-Dezember 1985 . Labor für Laser-Energetik, Rochester, NY. §3B, S. 42-46 .

Beim Versuch, ein bisschen mehr ins Detail zu gehen, bin ich etwas verwirrter. Wikipedia verweist den interessierten Leser auf eine Rezension aus dem Jahr 1960, nachdem die Technologie deklassiert worden war,

Impulskompressionstaste für effizientere Radarübertragung. CE-Koch. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

Aber ich habe Mühe zu verstehen, was die Probleme waren, die sie zu lösen versuchten. Aus Cooks Einführung,

In den meisten Fällen ging die Forderung nach einer größeren Erfassungsreichweite nicht auf Kosten der normalen taktischen Anforderungen für ein bestimmtes Mindestmaß an Entfernungsauflösungsvermögen. Angesichts dieser Situation waren Radarrohrkonstrukteure gezwungen, sich auf die Erhöhung der Spitzenleistungen ihrer Rohre zu konzentrieren, da die taktischen Überlegungen keine Erweiterung der Erfassungsbereiche durch Erhöhung der Durchschnittsleistung mittels eines breiteren Sendeimpulses ermöglichten. Infolgedessen werden Hochleistungsröhren in vielen Situationen ineffizient verwendet, was die durchschnittliche Leistung betrifft. Um diese Ineffizienz zu kompensieren, haben die Ingenieure Nacherkennungsintegrationstechniken entwickelt, um den Radarerkennungsbereich zu erweitern. Diese Techniken führen auch zu weiteren Ineffizienzen, sofern die Verwendung der insgesamt verfügbaren Durchschnittsleistung berücksichtigt wird.

Es ist hier nicht klar, um welche „taktischen Anforderungen“ es hier geht und warum und wie sie sich sowohl auf die Impulsbreite als auch auf die durchschnittliche Leistung und die Spitzenleistungsanforderungen an das System auswirken.

Die Patente von Dicke und Darlington helfen ein wenig dabei, das Problem zu bestimmen, insbesondere mit den Hinweisen auf Funkenbildung an den Antennen als Begrenzung der Spitzenleistung des Radarimpulses sowohl innerhalb des Verstärkers als auch der darauf folgenden Ausgangselemente. (Dies steht im Gegensatz zum optischen CPA-Fall, bei dem das Problem darin besteht, dass Laserverstärkungsmedien eine Intensitätsschwelle aufweisen, über der nichtlineare Effekte wie Selbstfokussierung und Laserfilamentierung auftreten wird das Verstärkungsmedium zerstören, aber es ist vollkommen in Ordnung, hochintensive Impulse auf Spiegel oder andere solche "Ausgangs" -Elemente zu richten.) Jedoch lässt mich Cooks Erwähnung zu einem späteren Zeitpunkt spezifischer Anforderungen sowohl an die Spitzenleistung als auch an die Durchschnittsleistung vermuten dass es hier mehr gibt, was ich nicht klar sehe.

Um diese Verwirrung in einige konkretere Fragen zu fassen:

• Welche spezifischen Anforderungen an die Spitzen- und Durchschnittsleistung und die Breite von Radarpulsen sollte Chirped-Radar überwinden? Gab es rein interne Bedenken in Bezug auf die Elektronik, oder gab es externe Ziele und Einschränkungen, die sonst nur schwer zu erreichen waren?
• Wird der Name "gechirpte Pulsverstärkung" jemals in einem Radarkontext verwendet?
• Wird der optische CPA - Dehnen, Verstärken, Komprimieren und dann Verwenden des Pulses - überhaupt in Radaranwendungen oder in breiteren Elektronikbereichen verwendet?

Ich bin keineswegs ein Radarexperte, aber ich glaube, ich verstehe die allgemeinen Konzepte gut genug, um Ihre Fragen zu beantworten.

Welche spezifischen Anforderungen an die Spitzen- und Durchschnittsleistung und die Breite von Radarpulsen sollte Chirped-Radar überwinden? Gab es rein interne Bedenken in Bezug auf die Elektronik, oder gab es externe Ziele und Einschränkungen, die sonst nur schwer zu erreichen waren?

Das Grundproblem beim Radar ist, sowohl eine ausreichende Leistung für die Gesamtentfernung als auch eine gute zeitliche Auflösung für die Entfernungsauflösung zu erhalten. Es ist schwierig, Hochleistungsverstärker für Mikrowellenfrequenzen zu bauen. Sie möchten in jedem gesendeten Impuls viel Energie haben, aber Sie möchten auch den Impuls kurz halten. Die Lösung, wie Sie es in der Optik gefunden haben, besteht darin, den Impuls durch Zwitschern zu strecken, wodurch der Leistungsverstärker länger mit einer niedrigeren Leistung betrieben werden kann, um die gleiche Impulsenergie zu erhalten.

Beim Radar spielt es keine Rolle, ob Sie den Impuls vor dem Einspeisen in die Antenne erneut komprimieren - der gechirpte Impuls funktioniert genauso gut wie der komprimierte Impuls beim Erkennen von Objekten.

Tatsächlich erhalten Sie zusätzliche Vorteile, wenn die Reflexionen zurückkehren, da Sie jetzt das gechirpte Signal im Empfänger verstärken können (und einige der gleichen Vorteile wie im Senderverstärker in Bezug auf Spitzen- / Durchschnittsleistung erhalten), und Sie können a verwenden "Matched Filter" zur Komprimierung des Impulses kurz vor der Erkennung, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass auch viele potenzielle Störquellen unterdrückt werden. Die schmalen Impulse, die aus dem Empfängerfilter kommen, geben Ihnen die Zeitauflösung, die Sie benötigen.

Wird der Name "gechirpte Pulsverstärkung" jemals in einem Radarkontext verwendet?

Im Allgemeinen nicht, da die Verstärkung nicht der einzige Grund ist, warum Chirping verwendet wird.

Wird der optische CPA - Dehnen, Verstärken, Komprimieren und dann Verwenden des Pulses - überhaupt in Radaranwendungen oder in breiteren Elektronikbereichen verwendet?

Meines Wissens nicht, aber es wäre durchaus machbar.

Die taktische Anforderung, von der Cook spricht, ist eine zuverlässige Zielerfassung bei Rauschen und Störgeräuschen, dies ist das Problem der Erfassung und eine zuverlässige Zielauflösung vor einem kohärenten Hintergrund, dies ist das Problem der Diskriminierung.

Bei einem herkömmlichen Impulsradar werden diese beiden Probleme durch eine erhöhte Impulsenergie und eine verringerte Impulsbreite gelöst. Der kürzere Impuls hat eine bessere Chance, für sich gesehen zu werden als ein längerer, wenn mehrere Ziele gleichzeitig vorhanden sind, und da das Signal-Rausch-Verhältnis des angepassten Filterausgangs unabhängig von der Impulsform ist und unter allen möglichen Rauschfiltern das taktische Problem maximal ist wird durch ein Radarsignal gelöst, bei dem das angepasste Filter eine möglichst kurze Länge aufweist, sodass mehrere Zielrückgaben zeitlich gut voneinander getrennt sind. Für die Radarleistung kommt es also nicht darauf an, was der Radarimpuls ist, sondern was passiert, nachdem der Echoimpuls aus seinem angepassten Filter kommt. Da der Ausgang des angepaßten Filters Amplitudenund daher ist sein SNR proportional zu der gesendeten Impulsenergie, die wir manipulieren, modulieren, senden und die gleiche taktische Leistung erzielen können, solange das empfangene SNR und die nachabgeglichene Filterimpulslänge gleich sind.

Da die Leistung von der Sendeenergie abhängt und von der Sendeleistung unabhängig ist und alle Radarsender leistungsbegrenzt sind, verwenden Radarkonstrukteure niemals absichtlich Amplitudenmodulation und alle Intra-Puls-Modulationen sind entweder phasen- oder frequenzabhängig. Ein typisches und ältestes in einem herkömmlichen Pulsradar ist Chirp-Radar, aber es gibt viele andere Frequenz- oder Phasenmodulationsschemata. Während Chirp das älteste und konzeptionell einfachste ist, wird es bei sehr empfindlichen Radaren selten verwendet. Der Grund dafür ist, dass die Ausgabe des angepassten Filters für ein Chirp-Radar eine Ausgabe erzeugt, die von ihrer gewünschten Spitze entfernt ist (sogenannte Zeitnebenkeulen) und deren Amplitude höher und deren Zeit (Klingeln) länger ist als manchmal wünschenswert ist. Dieses "Klingeln" mit hohem Pegel verhindert, dass kleinere Ziele durch die Ausgabe eines größeren Ziels, das sich in der Nähe befindet, unterschieden werden.