Quelles limitations de puissance les radars gazouillis ont-ils été conçus pour surmonter?


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L'amplification d'impulsions gazeuses (CPA) est une technique optique, lauréate du prix Nobel de physique 2018, qui est utilisée pour produire des impulsions laser courtes à des intensités suffisamment élevées pour que le milieu de gain se détruise par des phénomènes non linéaires s'il essayait d'amplifier le impulsion directement, en prenant en sandwich l'amplificateur entre une civière à impulsions et un compresseur.

C'est un folklore commun en optique que la technique a été initialement développée pour l'amplification des signaux radar quelque part dans les premiers temps de l'histoire de l'électronique, et il est en quelque sorte logique que si vous avez un amplificateur à tube à vide fragile ou quelque chose, vous pouvez échanger le des réseaux de diffraction optique pour des guides d'ondes hyperfréquences à dispersion appropriée, ou tout ce qu'ils utilisaient dans les années 60, et cela ferait des merveilles pour protéger l'électronique sensible de la friture.

Pour essayer d'aller au-delà de cette vague compréhension, j'ai essayé de voir exactement quels problèmes d'amplification radar étaient la cible du travail original stretch-amplify-compress (je ne sais pas si le nom CPA était déjà utilisé pendant son développement). , même s'il est vraiment utilisé pour décrire de tels systèmes dans un contexte électronique), à ​​quoi servait-il en électronique lors de son passage à l'optique en 1985, et plus généralement quelle est l'histoire de son développement. Cependant, il y a quelques bords rugueux dont je ne suis pas sûr et j'espère que cette SE est un bon endroit pour poser des questions à leur sujet.

Le papier CPA d'origine,

Compression d'impulsions optiques chirpées amplifiées. D. Strickland et G. Mourou. Optics Comms. 55 , 447 (1985) .

reconnaît que la technique est analogue aux solutions alors déjà utilisées dans le radar, et envoie le lecteur à un examen adapté aux débutants en

Radars multiéléments. E. Brookner. Scientific American 252 , février 1985, p. 94-102. .

mais c'est un peu une impasse bibliographique car il n'a pas de références. En particulier, je suis frappé par le fait que les techniques présentent des différences importantes.

  • En optique, nous voulons avoir une impulsion courte et nous voulons la rendre forte. Cela nous permet alors d'étudier des phénomènes optiques non linéaires, qui peuvent atteindre des degrés assez extrêmes . Cela signifie que nous devons compresser l'impulsion avant de l' utiliser pour faire tout ce que nous voulons faire.

  • Dans la description de Strickland et Brookner, d'un autre côté, il est clair que l'électronique ne se soucie vraiment de compresser l'impulsion que juste avant son analyse finale, et que le système est parfaitement satisfait de transmettre l'impulsion non compressée pour interagir avec les avions ou les pamplemousses -des objets métalliques de taille 'sont là-bas, et font ensuite la compression.

Ce point de vue est souligné par un rapport Rochester plus accessible,

Revue LLE , rapport trimestriel, octobre-décembre 1985 . Laboratoire d'énergétique laser, Rochester, NY. §3B, p. 42-46 .

En essayant d'entrer un peu plus dans les détails, je suis un peu plus confus. Wikipédia renvoie le lecteur intéressé à une revue de 1960, après la déclassification de la technologie,

Clé de compression d'impulsion pour une transmission radar plus efficace. CE Cook. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

mais j'ai du mal à comprendre quels étaient les problèmes qu'ils essayaient de résoudre. Depuis l'introduction de Cook,

Dans la plupart des cas, la demande d'augmentation de la portée de détection n'a pas été au détriment des exigences tactiques normales pour un certain minimum de capacité de résolution de portée. Face à cette situation, les concepteurs de tubes radar ont été obligés de se concentrer sur l'augmentation des puissances de crête de leurs tubes, car les considérations tactiques n'ont pas permis d'étendre les plages de détection en augmentant la puissance moyenne au moyen d'une impulsion transmise plus large. En conséquence, dans de nombreuses situations, des tubes de forte puissance sont utilisés de manière inefficace en ce qui concerne la puissance moyenne. Pour compenser cette inefficacité, les ingénieurs ont développé des techniques d'intégration post-détection pour étendre la portée de détection radar. Ces techniques conduisent également à de nouvelles inefficacités en ce qui concerne l'utilisation de la puissance moyenne totale disponible.

Il n'est pas clair ici quels «besoins tactiques» sont en jeu ici, et pourquoi et comment ils affectent à la fois la largeur d'impulsion, la puissance moyenne et les besoins de puissance de crête sur le système.

Les brevets de Dicke et Darlington aident quelque peu à établir quel était le problème, en particulier en ce qui concerne les étincelles sur les antennes comme limite de la puissance de crête de l'impulsion radar à la fois à l'intérieur de l'amplificateur ainsi que les éléments de sortie qui viennent après. (Ceci contraste avec le cas du CPA optique, où le problème est que les supports de gain laser ont un seuil d'intensité au-dessus duquel des effets non linéaires comme l'autofocus et la filamentation laser détruira le moyen de gain, mais il est parfaitement bien de faire briller des impulsions de haute intensité sur des miroirs ou d'autres éléments de `` sortie ''.) Cependant, la mention de Cook à une date ultérieure d'exigences spécifiques sur la puissance de crête et la puissance moyenne me fait suspecter qu'il se passe plus de choses ici que je ne vois pas clairement.

Pour résumer ce tas de confusions en quelques questions plus concrètes:

  • Quelles exigences spécifiques sur les puissances de crête et moyennes et la largeur des impulsions radar ont été conçues pour surmonter les radars à modulation de fréquence? S'agissait-il de préoccupations purement «internes» concernant l'électronique, ou y avait-il des objectifs et des restrictions externes difficiles à atteindre autrement?
  • Le nom «amplification d'impulsions gazouillées» est-il jamais utilisé dans un contexte radar?
  • Le CPA de type optique - étirer, amplifier, compresser, puis utiliser l'impulsion - est-il utilisé dans des applications radar ou dans des domaines électroniques plus larges?

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De nos jours, où il est beaucoup plus facile d'introduire des formes d'onde arbitraires à partir d'un DAC, il est facile de concevoir une forme d'onde pour une exigence particulière et de compresser l'impulsion à la réception et donc d'augmenter la puissance moyenne de cette façon, avec une diversité de formes d'onde si vous le souhaitez. Les exigences tactiques mentionnées seraient principalement la résolution de plusieurs cibles qui seraient masquées comme une seule si la résolution de la portée était réduite pour obtenir une puissance moyenne.
johnnymopo

C'est une question intéressante! Merci de l'avoir affiché ici.
Adam Haun

@Adam ooooh, merci. J'avais des doutes assez sérieux que vous trouviez ça intéressant.
EP

Enfin une question intéressante. Le temps d'ionisation dépend du milieu puis il devient un effet d'avalanche. Les effets Kerr & Pockels sont également importants dans l'optique. . Un Chirp RF décale le spectre dans le temps afin que la distance incrémentielle et le SNR de la plage soient considérablement améliorés. Les deux dépendent également d'un temps de montée court qui peut également avoir une atténuation moyenne différente de celle des RF. juste pour des commentaires rapides.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Réponses:


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Je ne suis en aucun cas un expert en radar, mais je pense que je comprends assez bien les concepts généraux pour essayer de répondre à vos questions.

Quelles exigences spécifiques sur les puissances de crête et moyennes et la largeur des impulsions radar ont été conçues pour surmonter les radars à modulation de fréquence? S'agissait-il de préoccupations purement «internes» concernant l'électronique, ou y avait-il des objectifs et des restrictions externes difficiles à atteindre autrement?

Le problème fondamental du radar est d'obtenir à la fois une puissance adéquate pour la portée totale et une bonne résolution de synchronisation pour la résolution de la portée. Il est difficile de construire des amplificateurs haute puissance pour les fréquences micro-ondes. Vous voulez avoir beaucoup d'énergie dans chaque impulsion transmise, mais vous voulez aussi garder l'impulsion courte. La solution, comme vous l'avez trouvée en optique, consiste à étirer l'impulsion en la gazouillant, ce qui permet à l'amplificateur de puissance de fonctionner à une puissance inférieure pendant une durée plus longue afin d'obtenir la même énergie d'impulsion.

Maintenant, dans le radar, peu importe si vous ne compressez pas à nouveau l'impulsion avant de la transmettre à l'antenne - l'impulsion gazouillée fonctionne aussi bien que l'impulsion compressée en termes de détection d'objets.

En fait, vous obtenez des avantages supplémentaires lorsque les réflexions reviennent, car vous pouvez maintenant amplifier le signal gazouilli dans le récepteur (en obtenant certains des mêmes avantages que dans l'amplificateur de l'émetteur en ce qui concerne la puissance de crête à moyenne), et vous pouvez utiliser un "filtre adapté" pour comprimer l'impulsion juste avant la détection, ce qui présente l'avantage supplémentaire de rejeter également de nombreuses sources d'interférence potentielles. Les impulsions étroites sortant du filtre récepteur vous donnent la résolution temporelle dont vous avez besoin.

Le nom «amplification d'impulsions gazouillées» est-il jamais utilisé dans un contexte radar?

Généralement non, car l'amplification n'est pas la seule raison pour laquelle le gazouillis est utilisé.

Le CPA de type optique - étirer, amplifier, compresser, puis utiliser l'impulsion - est-il utilisé dans des applications radar ou dans des domaines électroniques plus larges?

Pas à ma connaissance, mais ce serait certainement faisable.


Désolé pour l'acceptation tardive, je ne sais pas pourquoi je ne l'avais pas fait. Merci pour cela!
EP

L'écho est généralement inférieur de plusieurs ordres de grandeur au couplage direct entre les antennes d'émission et de réception ou aux réflexions de cibles proches, y compris le sol. Dans le contexte radar, la nécessité d'amplifier est en fait un inconvénient car un brouilleur haute puissance, y compris le brouillage automatique, peut masquer et interférer avec le signal lorsque l'interférence est causée par la propre plage dynamique limitée du récepteur. C'est l'inconvénient le plus important de l'utilisation de CW ou même d'un mode à impulsion longue par rapport au véritable mode à impulsion courte mais au radar haute puissance.
hyportnex

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Les exigences tactiques dont parle Cook sont une détection fiable des cibles dans le bruit et le brouillage, c'est le problème de la détection et une résolution fiable des cibles dans un contexte cohérent, c'est le problème de la discrimination.

Dans un radar à impulsions conventionnel, ces deux problèmes sont résolus par une augmentation de l'énergie d'impulsion et une largeur d'impulsion réduite. L'impulsion plus courte a plus de chances d'être vue d'elle-même qu'une impulsion plus longue lorsque plusieurs cibles sont présentes simultanément et puisque le rapport signal / bruit de sortie du filtre adapté est indépendant de la forme de l'impulsion et est maximal parmi tous les filtres de bruit possibles, le problème tactique est résolu en ayant un signal radar tel que son filtre adapté ait une longueur aussi courte que possible, de sorte que les retours de cibles multiples sont bien séparés dans le temps. Donc, pour les performances du radar, ce qui importe n'est pas ce qu'est l'impulsion radar, mais ce qui se passe après que l'impulsion en écho sort de son filtre adapté. Depuis l' amplitude de sortie du filtre adapté, et donc son SNR, est proportionnel à l'énergie d'impulsion transmise que nous pouvons manipuler, moduler, ce que nous transmettons et atteindre les mêmes performances tactiques tant que le SNR reçu et la longueur d'impulsion du filtre post-apparié sont les mêmes.

Étant donné que les performances dépendent de l'énergie de transmission et sont indépendantes de la puissance de transmission, et que tous les émetteurs radar sont à puissance limitée, les concepteurs de radar n'utilisent jamais intentionnellement la modulation d'amplitude et toute la modulation intra-impulsionnelle est soit la phase soit la fréquence. Un radar à impulsions typique et le plus ancien d'un radar à impulsions conventionnel est le radar à gazouillis, mais il existe de nombreux autres schémas de modulation de fréquence ou de phase. Bien que le gazouillis soit le plus ancien et le plus simple sur le plan conceptuel, pour les radars très sensibles, il est rarement utilisé. La raison en est que la sortie du filtre adapté pour un radar à gazouillis génère une sortie (soi-disant lobes latéraux temporels) de son pic souhaité qui est plus élevée en amplitude et plus longue en temps (sonnerie) que parfois souhaitable. Cette "sonnerie" de haut niveau empêche de discriminer des cibles plus petites par la sortie d'une cible plus grande qui se trouve à proximité.

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